Ліловий, червоний, синій,
Зелений, жовтий колір.
Саме забарвлення мильних бульбашок наштовхнула видатного фізика Томаса Юнга на відкриття явища інтерференції в тонких плівках і підтвердження хвильової природи світла.
Мильні бульбашки і плівки - напрочуд гарне видовище. Спогляданням їх можна займатися годинами і в будь-якому віці. Але в шкільному курсі фізики цьому питанню приділяється зовсім мало часу. А так хочеться дізнатися про це дивне явище. Чому міхур переливається всіма кольорами веселки? Від чого залежить міцність мильної плівки? Як приготувати правильно мильний розчин, щоб міхур вийшов якомога більше і зберігався якомога довше? Як поводиться мильна бульбашка на твердих і рідких поверхнях? І таких питань у мене дуже багато.
Тому я вирішив провести дослідження і подивитися на мильні бульбашки і мильні плівки очима допитливого людини і поспостерігати за мильними бульбашками, вивчаючи їх поведінку. Мені б хотілося дізнатися, чому залежить міцність мильних бульбашок, і як впливає домішка на поверхневий натяг плівки.
Але перш, ніж вивчати мильні бульбашки почнемо з водяних бульбашок.
У спекотний літній день набіжить хмаринка і виллється дощем. Великі краплі дощу утворюють в калюжах, водоймах великі бульбашки. Бульбашки лопаються, народжуються нові. Коли ми наливаємо в посудину воду з крана, то на поверхні води також утворюються бульбашки. Що за причина утворення міхурів з води?
Бульбашки утворюються за рахунок поверхневого натягу води. Струмені води захоплюють повітря і захоплюють його за собою. Бульбашки повітря виявляються під водою, розкидані в різні боки падаючим струменем. Потім вони спливають на поверхню. Поверхнева плівка води не дозволяє їм вирватися назовні. Утворюється повітряний міхур, обтягнутий тонкою плівкою молекул води. Плівка води міцна, і повітрю важко її прорвати. Вона сильно тисне на повітря і стискає його. Стиснене повітря намагається прорватися і, врешті-решт, прориває плівку. Пузир лопається. Водяні бульбашки недовговічні, не те, що мильні.
У розмові про мильних бульбашках ми згадуємо про них для не дуже приємних уподібнень. Наприклад: "Лопнул, як мильна бульбашка". Зовсім інакше дивляться на них фізики. "Видуйте мильна бульбашка, - писав великий англійський учений Кельвін, - і дивіться на нього: ви зможете займатися все життя його вивченням, не перестаючи отримувати з нього уроки фізики". (1) Дійсно, чарівні переливи барв на поверхні найтонших мильних плівок дають нам можливість виміряти довжину світлових хвиль, а дослідження натягу цих ніжних плівок допомагає вивчати закони дії сил між частками - тих сил зчеплення, при відсутності, яких в світі не існувало б нічого крім найтоншої пилу.
Хороші мильні бульбашки виходять з розчину простого господарського мила (туалетні сорти для цієї мети менш придатні), але найбільш придатні для отримання великих і красивих мильних бульбашок чисто оливкова або мигдальне мила. Мильний розчин готується досить просто. Шматок мила потрібно обережно розвести в чистій холодній воді, поки не вийде досить густий розчин. Найкраще використовувати снігову (або дощову) воду. Щоб бульбашки трималися довго потрібно до мильного розчину додати 1/3 частина гліцерину (за обсягом). З поверхні розчину необхідно видалити піну і бульбашки. Тонку трубочку зсередини і ззовні необхідно вимазати милом, занурити її в розчин і тримаючи трубочку прямовисно, так щоб на кінці утворилася плівка рідини, обережно дути в неї. Пузир наповнюється теплим повітрям наших легень, який легше навколишнього кімнатного повітря і піднімається вгору.
Якщо міхур вдається відразу видути в 10 см. Діаметром, то розчин вийшов хорошим і придатний для проведення дослідів. Є і ще один спосіб перевірки розчину: видув міхур, умочіть палець в мильний розчин і постарайтеся проткнути його. Якщо міхур не лопне, то розчин хороший.
Коли ми в воду додаємо мило або будь миючий засіб. сили поверхневого натягу різко зменшуються. Однак мильні бульбашки виходять більшого розміру, вони міцніші і довше живуть. Чи не суперечать ці властивості одне іншому?
Виявляється, крім сил поверхневого натягу, важливу роль відіграє структура мильної плівки. Молекули мила і миючих засобів відносяться до поверхнево-активних речовин. Їх особливістю є те, що один кінець довгої молекули активний по відношенню до води, а протилежний - інертний. Молекули мила розташовані впорядковано і перпендикулярно водної поверхні, так що нагадують "частокіл". Мильна плівка має два таких "частоколу". При роздуванні вона розтягується, щільність молекул поверхнево-активної речовини на поверхні зменшується, але тут же прагне відновитися завдяки "притоку" все нових молекул з об'єму плівки. Коли все молекули поверхнево - активної речовини виявляться на поверхні, настає критична ситуація - плівка руйнується, і міхур лопається. Теоретично можливий радіус міхура - 6 метрів. На сьогоднішній день рекорд - понад 2 метри. Мильні бульбашки лопаються раніше, ніж досягають критичного розміру.
Сили поверхневого натягу.
У навколишньому світі поряд з тяжінням, пружністю і тертям діє ще одна сила, на яку ми зазвичай мало або зовсім не звертаємо уваги. Сила ця порівняно невелика, її дія ніколи не викликає вражаючих ефектів. Проте, ми не можемо налити води в склянку, взагалі нічого не можемо зробити з будь-якої рідиною без того, щоб не пустити в хід сили, які називаються силами поверхневого натягу.
До викликається поверхневий натяг ефектів ми настільки звикли, що не помічаємо їх, якщо не розважаємося пускання мильних бульбашок. Однак в природі і в нашому житті вони відіграють чималу роль. Без них ми не могли б писати чорнилом. Звичайна ручка не зачерпнула б чорнила з чорнильниці, а автоматична відразу ж поставила б велику пляму, спорожнивши весь свій резервуар. Не можна було б намилити руки, піна не утворилася б. Слабкий дощик промочив би одяг наскрізь, а веселку можна було б бачити ні за якої погоди. Порушився б водний режим грунту, що виявилося б згубним для рослин. Найпростіше вловити характер сил поверхневого натягу, спостерігаючи за утворенням мильної бульбашки.
Надуємо мильна бульбашка. Яке враження справляє на вас плівка мильної бульбашки? Мені здається, що вона походить на тонку розтягнуту гуму дитячого кульки. Вдивіться уважно, як поступово зростає міхур, як утворюється звуження у соломинки і як він відривається від неї, переливаючись всіма кольорами веселки. Не треба багато фантазії, щоб уявити собі, що стінки міхура схожі на тонкий еластичний мішечок, який розірветься, якщо його міцність стане недостатньою. Якщо вийняти соломинку з рота, то з міхура вийде повітря і міхур стиснеться.
Поверхня рідини прагне до скорочення.
Численні спостереження і досліди показують, що рідина приймає таку форму, при якій її вільна поверхня має найменшу площу. У своєму прагненні скоротиться, поверхнева плівка надавала б рідини сферичну форму, якби не тяжіння до Землі. Чим менше крапелька, тим більшу роль відіграють поверхневі сили в порівнянні з об'ємними (силами тяжіння). Тому маленькі крапельки роси і мильні бульбашки близькі за формою до кулі. При вільному падінні виникає стан невагомості, і тому дощові краплі і невеликі мильні бульбашки майже строго кулясті (невеличкий відступ від сферичності викликано опором повітря). Через заломлення сонячних променів в них виникає веселка. Не будь краплі і бульбашки сферичними, не було б і веселки.
Розглянемо досвід, який підтверджує прагнення рідини зменшити поверхню контакту з повітрям. До двох точках дротяного каркаса прив'яжемо нитка, довжина якої більше діаметру каркаса. Зануривши каркас в розчин мила, отримаємо мильну плівку, на якій нитка буде лежати в довільному положенні. Якщо проколоти плівку з одного боку нитки, то плівка, що залишилася по іншу сторону нитки, скорочуючись, натягне нитку. Цей досвід можна видозмінити, поклавши на плівку, утворену в дротовому каркасі, петлю. Якщо прорвати плівку всередині петлі, то вона прийме форму кола. Якщо плівка утворюється на дротяних каркасах, що мають різні геометричні форми (куб, тетраедр і ін.), То для кожного каркаса плівка завжди встановлюється абсолютно певним чином, при якому її поверхня має найменшу площу. Таким чином, поверхня рідини має загадковим на перший погляд властивістю, - вона прагне скоротитися так, щоб площа її поверхні стала мінімальною. Можна зрозуміти причину, яка змушує поверхню рідини скорочуватися, якщо уявити собі, в яких умовах перебувають молекули поверхневого шару рідини.
Походження сил поверхневого натягу.
Поверхня рідини, дотичної з іншим середовищем, наприклад з її власним паром, знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Виникають ці умови тому, що на поверхні рідини, поблизу кордону, що розділяє рідина і пар, молекули відчувають інше молекулярне взаємодія, ніж молекули, що знаходяться всередині об'єму рідини.
На кожну молекулу всередині рідини діють сили тяжіння сусідніх молекул, що оточують її з усіх боків. Рівнодіюча же сил тяжіння, що діють на молекули поверхневого шару, не дорівнює нулю (так як над поверхнею рідини знаходиться пар, щільність якого в багато разів менше, ніж щільність рідини), і спрямована всередину рідини. Під дією цієї сили молекули поверхневого шару прагнуть втягнутися всередину рідини, число молекул на поверхні зменшується, і площа поверхні скорочується.
Ми знаємо, що рідина текуча через перескоків молекул з одного «осілого» положення в інше, і вона приймає таку форму, при якій число молекул на поверхні мінімально, т. Е. Площа поверхні мінімальна. А мінімальну поверхню при даному обсязі має кулю. Площа поверхні рідини зменшується, і сприймається це як поверхневий натяг.
Не дивлячись на те, що ми порівнювали плівку мильної бульбашки з розтягнутим гумовим кулькою, походження поверхневих сил зовсім інше, ніж пружних сил розтягнутої гумової плівки. При скороченні гуми сила пружності слабшає. Сили ж поверхневого натягу не змінюються в міру скорочення площі поверхні плівки, так як щільність рідини, а, отже, і середня відстань між молекулами на поверхні не змінюються. Ми знаємо, що молекули притягуються один до одного на відстанях порядку декількох молекулярних радіусів і відштовхуються на дуже близьких відстанях. Сили тяжіння, що діють на молекулу поверхневого шару з боку всіх інших молекул, дають рівнодіючу, спрямовану вниз. Однак сусідні «нижні» молекули на дану молекулу діють силами відштовхування. Завдяки цьому молекула знаходиться в рівновазі. Правда, будь-яка молекула бере участь в тепловому русі. Але для молекул рідини це рух зводиться до коливань близько деяких положень рівноваги, причому час від часу ці положення змінюються. Тоді на місце молекули, що пішла в глиб рідини, приходить інша і т. Д. Таким чином, молекули поверхневого шару знаходяться в середньому на великих відстанях один від одного, ніж молекули всередині рідини. Рідина в поверхневому шарі знаходиться в розтягнутому, напруженому стані, і тому вздовж поверхні діє сила, яка прагне скоротити цю поверхню.
Залежність поверхневого натягу від домішок
Значний вплив на поверхневий натяг рідини надають домішки розчинених в ній речовин. Наявність домішок в рідині приводить, як правило, до зменшення поверхневого натягу. При розчиненні цукру у воді поверхневий натяг збільшується. А ось поверхневий натяг мильного розчину менше, ніж води. Проте, мильні бульбашки або мильні плівки на дротяних рамках утворюються мильним розчином, а не чистою водою. Пояснюється це наступним чином: для стійкого рівноваги плівки сили поверхневого натягу повинні збільшуватися з висотою. Чим вище ділянку плівки, тим більшу масу плівки внизу йому доводиться утримувати. Отже, концентрація мила на поверхні плівки зменшується з висотою. З таблиць відомо, що поверхневий натяг води (чистої), при температурі 200 ° С одно 0,075 Н / м, а розчину мила, при тій же температурі - 0,040 Н / м. Крім цього, коефіцієнт поверхневого натягу зменшується з ростом температури.
Ми знаємо, що рідина текуча через перескоків молекул з одного «осілого» положення в інше, і вона приймає таку форму, при якій число молекул на поверхні мінімально, т. Е. Площа поверхні мінімальна. А мінімальну поверхню при даному обсязі має кулю. Площа поверхні рідини
Цікаво спостерігати за міхуром, коли він з теплого приміщення потрапляє в холодну. В даному досвіді, він помітно зменшується в об'ємі, і навпаки, роздувається, потрапляючи з холодної кімнати в теплу.
Пояснити результат цього досвіду легко. Причина криється в стисненні і розширенні повітря, укладеного всередині міхура. Якщо, наприклад, на морозі в -15 0С обсяг міхура дорівнює 1000см 3 і він з морозу потрапив в приміщення + 15 0С, то він повинен збільшиться в об'ємі приблизно на110см 3. (1000 * 30 * 1/273 = 110)
Звичайні уявлення про недовговічність мильних бульбашок не цілком правильні: при належному зверненні вдається зберегти мильна бульбашка довгий час. Англійський фізик Дьюар (прославився своїми роботами зі зрідження повітря) зберігав мильні бульбашки в особливих пляшках, добре захищених від пилу, висихання і струсу повітря; при таких умовах йому вдалося зберегти деякі бульбашки місяць і більше (5). Лоренцу в Америці вдавалося зберегти мильні бульбашки під скляними ковпаками роками.
Що тонше всього.
Мало хто, ймовірно, знають, що плівка мильної бульбашки являє собою одну з найбільш тонких речей, які доступні неозброєному зору. Звичайні предмети порівняння, службовці в нашій мові для вираження тонкощі, надзвичайно грубі в порівнянні з мильною плівкою. "Тонкий, як волосся", "тонкий, як цигарковий папір" - означає величезну товщину поруч з товщиною стінки мильної бульбашки, яка в 5000 разів тонше волосся і цигаркового паперу. При збільшенні в 200 разів людську волосину має товщину близько сантиметра, розріз ж мильну плівку навіть в такому збільшенні ще не доступний зору. Потрібно збільшення ще в 200 раз, щоб розріз стінки мильної бульбашки вбачався у вигляді тонкої лінії; волосся ж при такому збільшенні (в 40 000 разів!) матиме понад 2м. в товщину. Рис 4 дає наочне уявлення про ці співвідношеннях.
Плівка міхура дуже тонка, і все - таки, незважаючи на це, вона складається з трьох шарів: два шари мильної води, а між ними шар майже чистої води.
З через великий обсяг цей матеріал розміщений на декількох сторінках:
1 2 3 4 5