Введение
Проблема: как сделать мыльные пузыри непривычно большими?
Актуальность: тема этой детской забавы не только интересна, но и может являться прикладной - мыльные пузыри нередко применяются в повседневной жизни людей.
Целии задачи: исследовать свойства мыльных пузырей и условия их приготовления на практикеи сравнить их с ранее исследованной теорией.
Гипотеза: размер, прочность и цвет мыльных пузырей зависит от состава веществ, из которых приготовлен раствор.
Происхождение мыльных пузырей
День рождения мыльного пузыря и посей день остаётся загадкой. Но доподлинно известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев выдувающих мыльные пузыри. Видимо, у них были свои секреты производства мыла. В Средних веках изображение ангела, пускающего пузыри, помещали на надгробья и добавляли надпись: «От этого никто не уйдёт». Этим, по-видимому, хотели сказать, что жизнь хрупка, как мыльный пузырь. Мыльные пузыри были не только детской забавой, но и объектом для размышлений философов о смысле жизни. Не просто красивым явлением природы, но они интересовали и серьёзных учёных.
Чарльз Бойс сто лет назад опубликовал фундаментальный труд «Мыльные пузыри», который по сей день является как детской забавной книжкой, так и настольным пособием для физиков теоретиков и экспериментаторов. Таким образом, мыльные пузыри радовали детей и взрослых ещё во времена древней Помпеи. Интересовали философов, художников, учёных на протяжении веков, не оставляя равнодушных и в 21 веке.
Свойства и особенности мыльного пузыря
А)Мыльный пузырь
Мыльный пузырь — 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. Эти слои состоят из достаточно сложных молекул одна часть которых является гидрофильной (любит контактировать с водой), а другая гидрофобной (избегают подобного контакта, «боятся» воды).
Гидрофильная часть представляет собой разделённые электрические заряды, обладающие дипольным моментом. Она привлекается тонким слоем воды. В то время как гидрофобная представляющая собой «хвост» из углеродной цепочки длиной 2,5 нм, наоборот, выталкивается. Врезультате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение. Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного.
Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло. Распространенное заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле, оно делает как раз обратное, уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды.
Когда мыльная пленка растягивается,концентрация
мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым, делая время жизни пузыря еще больше.
в) Почему мыльный пузырь имеет форму шара? Пузырь
Существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.
σ = FH/2L
Из - за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения.
Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше:
Δp = 4σ/R
Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде:
σ4πR = ΔpπR2
С поверхностью жидкости связана свободная энергия:
E = Sσ
где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S —полная площадь поверхности жидкости.
Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей)стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Наименьшую площадь поверхности при данном объеме имеет сфера, следовательно, силы натяжения формируют сферу.
Мыльные пузыри являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, только в 2000 году было доказано, что два объединенных пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря. Сферическая форма может быть существенно искажена потоками воздуха и, тем самым, самим процессом надувания пузыря. Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
Геометрия мыльных пузырей досих пор озадачивает математиков. С точки зрения физики, пузырь сферический лишь в том случае, если сила тяжести не вынуждает перемещаться жидкость в объёме плёнки пузыря, и, следовательно, не приводит к тому, что плёнка внизу оказывается толще, чем вверху, и форма искажается.