Тайны мыльных пузырей

«Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное и самое изысканное явление природы». Марк Твен.

 

Длина самого большого пузыря 4,5 метра

 

Что такое 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 поверхностно активного вещества, чаще всего мыла.

 

Строение молекул-русалок

 

Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза при добавлении мыла:
от 7*10-2 до 3*10-2 Дж/м2

 

 

Теория разрушения мыльного пузыря

Вследствие большого поверхностного натяжения утончившееся место пленки потянет в свою сторону жидкость из других, более толстых частей. Этим будет вновь достигнута одинаковая толщина пленки на всем протяжении, и опасность разрыва пленки исчезнет.

 

Почему мыльный пузырь имеет форму сферы?

Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность σ = Fн/2L.

Условие равновесия для мыльных пузырей

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, чем у сферической капли, так как пленка имеет две поверхности: Δp = 4σ /R.

Условие равновесия сил поверхностного натяжения и сил избыточного давления для мыльных пузырей: σ4πR = ΔpπR2 .

Сечение сферической капли

 

Силы натяжения мыльного пузыря формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме.

С поверхностью жидкости связана свободная энергия Е =σ  S ,

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.

Теорема двойного пузыря:

Два объединенных пузыря имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме.

Сферическая форма существенно искажается потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря.

«Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и лёгкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».

Т. Юнг

Интерференция в тонких плёнках.

Интерференцией световых волн –называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Когерентные волны – волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.

Условие максимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн

Δd = k λ , k =0,1,2,3,… – волны усилят друг друга,

Δd – разность хода лучей

Условие минимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу полуволн

Δd =(2k+1) λ/2 , k =0,1,2,3,… -волны погасят друг друга.

Почему же одни мыльные пузыри имеют радужную окраску, а другие – нет?

Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска.

Толщина плёнки мыльного пузыря

Чтобы разрез стенки мыльного пузыря усматривался в виде тонкой линии необходимо увеличение в 40 000 раз, при таком же увеличении волос будет иметь толщину свыше 2 м.

Вверху – игольное ушко, человеческий волос, бацилла и паутинная нить, увеличенные в 200 раз. Внизу – бациллы и толщина мыльной пленки, увеличенные в 40000 раз. 1 μ=0,0001 см.

Свойства мыльных пузырей на морозе.

Пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при –7°C. Пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Она обнаруживает пластичность. Пластичность пленки оказывается следствием малости ее толщины.