Мыльные пузыри: в чем секрет?

Мыльные пузыри: в чём секрет?
В жаркий летний день крупные капли дождя образуют в лужах,
водоемах большие пузыри. Пузыри лопаются, рождают новые. Когда вы
наливаете в сосуд воду из крана, то на поверхности воды также образуются
пузыри. В чем же причина образования пузырей из воды?
Пузыри образуются за счет поверхностного натяжения воды. Струи
воды захватывают воздух и увлекают его за собой. Пузырьки воздуха
оказываются под водой, разбросанные в разные стороны падающей струей.
Затем они всплывают на поверхность. Поверхностная пленка воды не
позволяет им вырваться наружу. Образуется воздушный пузырь, обтянутый
тонкой пленкой молекул воды. Пленка воды, прочная, и' воздуху трудно ее
прорвать. Она сильно давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух
пытается прорваться и, в конце концов, прорывает пленку. Пузырь лопается.
Поверхностное натяжение очень часто встречается в природе. Вы,
вероятно, неоднократно видели на водоёмах водомерок – насекомых,
бегающих по воде. Если внимательно приглядеться, то можно увидеть, что
поверхность воды под их лапками немного прогибается.
Аналогичное явление можно наблюдать на следующем опыте.
Аккуратно положим на поверхность воды в стакане иглу так, чтобы она не
утонула. Около иглы поверхность воды изогнута. Создается впечатление, что
игла лежит на упругой пленке, прогнувшейся под иглой. Чтобы объяснить,
почему
поверхностный
слой
подобен
растянутой
упругой
пленке,
рассмотрим две молекулы — одна молекула находится на поверхности
жидкости, другая — внутри нее. Молекула, находящаяся внутри жидкости,
со всех сторон окружена соседними молекулами, которые «тянут» ее во все
стороны одинаково, и равнодействующая сил взаимодействия равна нулю.
Молекула, находящаяся на поверхности, соседей сверху почти не имеет.
(Напомним, что плотность пара намного меньше плотности жидкости.)
Поэтому молекула испытывает преимущественное притяжение со стороны
молекул, находящихся внутри жидкости.
Равнодействующая F сил,
действующих на молекулу, расположенную вблизи поверхности жидкости,
направлена внутрь жидкости. Это приводит к тому, что под действием силы
F молекулы стремятся уйти внутрь жидкости с ее поверхности, а внешнее
проявление этой силы заключается в возникновении сил, стремящихся
сократить свободную поверхность жидкости. Убедимся в этом на опыте.
Проволочное кольцо с привязанной к нему в двух точках нитью погрузим в
мыльный раствор и вынем из него. На кольце1 появится мыльная пленка.
Нить лежит на пленке свободно. Если же проколоть пленку с одной
стороны нити, то пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сокращаясь,
натянет нить так, что она примет форму дуги окружности.
В проведенном опыте нить удерживают в натянутом состоянии силы
поверхностного натяжения, направленные внутрь пленки по касательным к
ее поверхности.
Наименьшую поверхность при заданном объеме имеет сфера. Этим
объясняется шарообразная форма маленьких капель. Приплюснутость
больших капель, лежащих на поверхности твердых тел, возникает из-за
того, что сила тяжести преобладает над межмолекулярными силами. В
условиях невесомости жидкость принимает форму шара.
Физическую величину, равную отношению силы, с которой
поверхностный слой жидкости действует на ограничивающий его
контур, к длине этого контура, называют поверхностным натяжением.
Единица поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м).
Поверхностное натяжение разных жидкостей неодинаково. Чтобы
убедиться в этом, проделаем такой опыт. Подвесим к динамометру
стеклянное кольцо. Опустим его в сосуд с чистой водой, а затем в сосуд с
мыльной водой. Будем под ни мать динамометр вверх до отрыва кольца от
поверхности воды. Мы заметим, что большая сила требуется для поднятия
кольца
из
воды,
чем
из
мыльного
раствора.
Следовательно,
поверхностное натяжение воды больше, чем мыльного раствора.
Мыло, стиральные порошки уменьшают поверхностное
натяжение
воды, увеличивая её проникающую способность. Поэтому мыльная вода
пропитывает и очищает ткани и другие материалы лучше, чем чистая вода.
Однако мыльные пузыри получаются большого размера, они прочнее и
дольше живут. Не противоречат ли эти свойства одно другому?
Оказывается, кроме сил поверхностного натяжения, важную роль
играет структура мыльной пленки. Молекулы мыла и моющих средств
относятся к поверхностно-активным веществам (ПАВ). Их особенностью является то, что один конец молекулы активен по отношению к воде, а
противоположный — инертен. Молекулы мыла расположены упорядоченно
и перпендикулярно водной поверхности, так что напоминают «частокол».
Мыльная пленка имеет два таких «частокола». При раздувании она
растягивается, плотность ПАВ на поверхности уменьшается, но тут же
стремится восстановиться благодаря «притоку» все новых молекул из объема
пленки. Когда все молекулы ПАВ окажутся на поверхности, наступает
критическая ситуация — пленка разрушается, и пузырь лопается.
Измерения поверхностного натяжения подтверждают теорию: мыльная
пленка уменьшает поверхностное натяжение в 2-3 раза. Однако мыльная
пленка более прочная и устойчивая. Учёные выяснили, что раствор для
мыльных пузырей следует готовить из дистиллированной (или кипяченой)
воды. Оптимальная концентрация 10—12%. Современные моющие средства
и шампуни позволяют быстро и без хлопот готовить мыльные растворы.
Добавление глицерина и хозяйственного мыла делает пленку более прочной.
♦ Выдувание мыльного пузыря. Форма пузыря.
Мыльные пузыри можно выдувать из соломинки, пластмассовой
трубочки, скатанной в трубку газеты, пластиковой бутылки с обрезанным
дном, воронки, кольца и т . д.
Выдувать мыльный пузырь можно и с помощью пластиковой бутылки.
Для этого необходимо отрезать дно у пластиковой бутылки. Смочить
горлышко бутылки мыльным раствором. Опустить бутылку широким концом
в высокий сосуд с водой. При опускании в воду воздух в бутылке сжимается
и выдавливает из горлышка пузырь. Чем больше объем бутылки, тем больше
размер пузыря.
При выдувании из трубочки всегда есть висящая капелька мыльного
раствора, которая отягощает и вытягивает пузырь. Особенно это заметно при
выдувании большого пузыря.
* Пузырь ( и не только) в пузыре.
Внутри пузыря легко выдувать несколько пузырей меньшего объема.
Этот опыт должны проводить не менее двух человек. Один выдувает
большой пузырь, например, из пластиковой бутылки. Другой, смочив трубочку из-под сока в мыльном растворе и проткнув большой пузырь, выдувает
меньший пузырь. Через некоторое время пузырь оторвется от трубочки и
ляжет на дно большого пузыря. Таких пузырей можно выдуть несколько.
Они, не взаимодействуя друг с другом, будут кататься по внутренней
поверхности. В книгах по занимательной физике можно встретить рисунки и
фотографии небольших скульптур внутри мыльного пузыря. Их получить
несложно. Нальём на дно тарелки немного мыльного раствора. Поставим в
центр тарелки небольшую игрушку, например из «киндер-сюрприза».
Предварительно смочим игрушку мыльным раствором. Начнём на тарелке
выдувать пузырь. Увеличиваясь в размерах, он займет всю тарелку. Игрушка
окажется внутри пузыря. Можно выдуйте большой мыльный пузырь,
смочить руку мыльным раствором и ввести ее вовнутрь пузыря. Если
поверхность предмета смочена мыльным раствором, то предмет не
разрушает мыльную пленку и легко в нее проникает.
• Пузырь на твердой и жидкой поверхности.
Мыльный пузырь, соприкоснувшись с твердой, несмачиваемой
поверхностью, не разрушается. На несмачиваемой твердой поверхности он
имеет сферическую форму, потому что масса пузыря крайне мала и сила
тяжести не влияет. Попав на шерстяную или джинсовую ткань, пузырь,
словно мячик, упруго от нее отскакивает. Мыльным пузырем можно играть в
«футбол»! Соприкоснувшись с поверхностью воды, пузырь меняет свою
сферическую форму. Над поверхностью воды выступает полусфера. В воду
пузырь вдавливается, образуя «чечевицу».
 Слияние пузырей.
Нальём в тарелку до краев воды и опустим на ее поверхность
мыльные пузыри. Внимательно следите за их поведением на
поверхности воды — создается впечатление, что мы наблюдаем за
живой природой. Они движутся навстречу друг другу — сначала
медленно, затем ускоряясь. Столкнувшись, пузыри соприкасаются,
как бы вдавливаясь один в другой с образованием перегородки. В
случае равных по размеру пузырей образуется плоскость, а в случае
разных — сегмент сферы, выпуклостью в больший пузырь. Два
слипшихся пузыря соединяются с третьим. Вначале слипание
происходит «цепочкой», которая быстро сворачивается в «хоровод».
Большие
«колонии»
пузырей
устремляются
друг
к
другу
и
слипаются, образуя пену.
Несмотря на кажущуюся хаотичность, в пене всегда прослеживается
закономерность: в одной точке соединяются не более трех пузырей.
♦ Цвета мыльных пленок. Интерференция,
О расцветке мыльного пузыря писал в своих стихах С. Я. Маршак.
Горит, как хвост павлиний,
Каких цветов в нем нет!
Лиловый, красный, синий,
Зеленый, желтый цвет.
Именно окраска мыльных пузырей натолкнула выдающегося физика
Томаса Юнга на открытие явления интерференции в тонких пленках и
подтверждение волновой природы света. Со временем изменяется цвет
пузыря. Объяснение очень простое: раствор стекает вниз, толщина пленки
меняется, поэтому меняется и цвет пленки.
♦ Электризация пузырей.
Мыльные пузыри хорошо электризуются. Понаблюдаем за поведением
пузыря в электрическом поле, созданном наэлектризованной палочкой или
наэлектризованным
куском
пенопласта.
Пузырь
в
какой-то
момент
отрывается от своей трубочки и резко устремляется по направлению к
источнику электрического поля. При соприкосновении с палочкой он либо
лопается, либо оседает на ней, но в виде полусферы, С помощью съемок
цифровой кинокамерой с выводом информации на экран компьютера удается
останавливать и задерживать во времени кадры, соответствующие моментам
вытягивания сферического пузыря в эллипсоид и его отрыва.
♦ Замороженный пузырь
Редко кто видел замороженный мыльный пузырь. Пускание мыльных
пузырей — это забава летнего дня, но если выдувать их на морозе, пузыри
быстро замерзают, сохраняя сферическую форму.
А теперь посмотрите, какие чудесные мыльные пузыри получаются у
профессионалов.