Исследование физических свойств мыльного пузыря - Физика и химия мыльного пузыря

Мыльный пузырь -- это тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью.

Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла.

"Пленка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких материй, которые можно увидеть невооруженным глазом. "Тонкий, как волос", "тонкий, как папиросная бумага" - это огромный размер толщины рядом с толщиной стенки мыльного пузыря, которая в 5000 раз тоньше волоса и папиросной бумаги".[3]

Поверхностное натяжение и форма мыльного пузыря

В чем же секрет мыльных пузырей? " В мыльном пузыре обнаруживается то самое явление, которое создает "кожу" у воды. Только состав раствора для пузырей подбирается так, чтобы пленка была более прочной и упругой. Эта пленка на поверхности жидкости всегда натянута. Поэтому и явление называют поверхностным натяжением.

Можно провести легкий эксперимент, чтобы лишний раз убедиться в упругости поверхностной пленки. Проволочное кольцо надо окунуть в мыльный раствор, мы увидим, что на нем образуется мыльная пленка. Сворачиваем из кусочка нитки петельку, смачиваем ее мыльным раствором и аккуратно кладем ее на пленку. Петелька ляжет, как легла, неровно, и неаккуратно. А если прикоснуться каким либо предметом к мыльной пленке внутри петельки, она растянется. Внутри петли мыльная пленка лопнет, а та, что осталась снаружи, растянет нитку в красивое кольцо. Это кольцо будет растягиваться натяжением мыльной пленки, оставшейся между краем петли и мыльным кольцом".[5]

Происходит так, потому что в состав оболочки пузыря, кроме воды, входит мыло и глицерин. Мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, а глицерин - уплотняет ее. Это позволяет получить очень тонкую стенку мыльного пузыря. Она легко растягивается, но не рвется. Она довольно прочная, учитывая ее толщину. Стенка мыльного пузыря входит в число тех немногих микроскопических объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом.

Почему же пузырь круглый?

Ответ можно найти, изучив закон поверхностного натяжения. Он заключается в том, что силы поверхностного натяжения стремятся придать мыльному пузырю максимально компактную форму.

Поверхностным натяжением называют способность жидкости сокращать свою поверхность до минимально возможной плотности.

"Самая компактная форма в природе -- это сфера. При сферообразной форме воздух внутри пузыря равномерно давит на все участки его внутренней стенки (до тех пор, пока пузырь не лопнет). Пленка мыльного пузыря всегда стремится минимизировать свою площадь поверхности. Это связано с тем, что свободная энергия жидкой пленки пропорциональна площади ее поверхности и стремится к достижению минимума"[3].

В сильный дождь можно увидеть водные пузыри на лужах, водные пузыри бывают, когда в кастрюле кипит вода или бульон.

Пузырь существует потому, что закон поверхностного натяжения делает поведение поверхности воды похожим на поведение чего-нибудь пластичного. Но пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества (ПАВы), например, мыло которое уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды.

"Повемрхностно-актимвные веществам (ПАВ) -- химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность -- способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз -- это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю". [3]

Когда мыльная пленка растягивается, концентрация молекул мыла на поверхности пузыря уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло усиливает слабые участки пузыря, сдерживая и не давая им растягиваться дальше. К тому же, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым делая время жизни пузыря еще больше.

Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме. Сферическая форма пузыря может быть сильно искажена потоками воздуха, самим процессом надувания пузыря или формой рамки, через которую пузырь формируется (создание цилиндра между двух рамок). Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро вновь станет почти сферической.

"Изучение свойств и условий существования мыльного пузыря получило свое продолжение в решении проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Эта задача была названа теорией двойного пузыря. С 1884 года было известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, но только в 2000 году было доказано, что два объединенных пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме. Решение этой задачи и было названо теоремой двойного пузыря.

В случае соединения двух пузырей, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большого пузыря, так как меньший пузырь имеет большее внутреннее давление. В случае, если пузыри будут одинакового размера, то их общая стенка станет плоской".[4]

Правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в 1976 г. Жаном Тейлором.

"Если пузырей больше чем три, они будут располагаться так, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности. Линии соединения поверхностей пересекаются в одной точке по четыре штуки, причем угол между любыми двумя равен ?109,47°.

Пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, в принципе могут образовываться, однако будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся. Пчелы, которые стремятся уменьшить расход воска, соединяют соты в ульях также под углом 120°, формируя, тем самым, правильные шестиугольники".[4]

Похожие статьи




Исследование физических свойств мыльного пузыря - Физика и химия мыльного пузыря

Предыдущая | Следующая