Мыльные пузыри: в чём 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 ит. 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 .

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.