Мыльный пузырь (обычно называемый просто пузырем ) — это чрезвычайно тонкая пленка мыла или моющего средства и воды , содержащая воздух, которая образует полую сферу с радужной поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют всего несколько секунд, прежде чем лопнуть, либо сами по себе, либо при контакте с другим предметом. Их часто используют для развлечения детей, но их также используют в художественных представлениях . Сборка большого количества пузырей приводит к образованию пены .
Когда свет падает на пузырь, кажется, что он меняет цвет. В отличие от цветов, которые видны в радуге и возникают из-за дифференциальной рефракции, цвета, которые видны в мыльном пузыре, возникают из-за интерференции световых волн , отражающихся от передней и задней поверхностей тонкой мыльной пленки. В зависимости от толщины пленки разные цвета интерферируют конструктивно и деструктивно.
Мыльные пузыри являются физическими примерами сложной математической проблемы минимальной поверхности . Они примут форму наименьшей возможной площади поверхности , содержащей заданный объем. Истинную минимальную поверхность правильнее проиллюстрировать мыльной пленкой , которая имеет одинаковое давление с обеих сторон, становясь поверхностью с нулевой средней кривизной . Мыльный пузырь — это замкнутая мыльная пленка: из-за разницы внешнего и внутреннего давления она является поверхностью постоянной средней кривизны.
Хотя с 1884 года было известно, что сферический мыльный пузырь является наименьшей площадью для заключения заданного объема воздуха (теорема HA Schwarz ), только в 2000 году было доказано, что два слитых мыльных пузыря обеспечивают оптимальный способ заключения двух заданных объемов воздуха разного размера с наименьшей площадью поверхности. Это было названо гипотезой двойного пузыря . [1]
Благодаря этим качествам пленки мыльных пузырей нашли применение в практических решениях проблем. Инженер-строитель Фрай Отто использовал пленки мыльных пузырей для определения геометрии листа с наименьшей площадью поверхности, который простирается между несколькими точками, и перевел эту геометрию в революционные конструкции натяжных крыш . [2] Известным примером является его павильон Западной Германии на выставке Expo 67 в Монреале.
Структуры, которые создают мыльные пленки, могут быть заключены не только в сферы, но и практически в любую форму, например, в проволочные каркасы. Таким образом, можно спроектировать множество различных минимальных поверхностей. Иногда их проще физически сделать, чем вычислить с помощью математического моделирования . Вот почему мыльные пленки можно рассматривать как аналоговые компьютеры , которые могут превосходить обычные компьютеры, в зависимости от сложности системы. [3] [4] [5]
Когда два пузырька сливаются, они принимают форму, которая делает сумму их площадей поверхности как можно меньше, совместимую с объемом воздуха, заключенным в каждом пузырьке. Если пузырьки одинакового размера, их общая стенка плоская. Если они не одинакового размера, их общая стенка выпячивается в больший пузырь, поскольку меньший имеет более высокое внутреннее давление , чем больший, как предсказывает уравнение Юнга-Лапласа .
В точке, где встречаются три или более пузырьков, они сортируются так, что только три стенки пузырьков встречаются вдоль линии. Поскольку поверхностное натяжение одинаково на каждой из трех поверхностей, три угла между ними должны быть равны 120°. Только четыре стенки пузырьков могут встретиться в одной точке, при этом линии, где встречаются тройки стенок пузырьков, разделены cos −1 (−1/3) ≈ 109,47°. Все эти правила, известные как законы Плато , определяют, как пена образуется из пузырьков.
Продолжительность жизни мыльного пузыря ограничена легкостью разрыва очень тонкого слоя воды, который составляет его поверхность, а именно мыльной пленки толщиной в микрометр . Таким образом, он чувствителен к:
В результате экспериментов исследователи обнаружили, что раствор, содержащий:
дал самые долгосрочные результаты, поскольку минимизировал эффект Марангони . [6]
При контакте мыльного пузыря с твердой или жидкой поверхностью наблюдается смачивание . На твердой поверхности краевой угол пузырька зависит от поверхностной энергии твердого тела., [7] [8] Мыльный пузырь имеет больший краевой угол на твердой поверхности, проявляющей ультрагидрофобность, чем на гидрофильной поверхности – см . Смачивание . На жидкой поверхности краевой угол мыльного пузыря зависит от его размера – меньшие пузырьки имеют меньшие краевые углы. [9] [10]
Газ внутри пузырька менее плотный, чем воздух, потому что он в основном состоит из водяного пара. Водяной пар — это газ, который образуется при испарении молекул воды. Когда молекулы воды испаряются, они выходят из жидкого состояния и переходят в газообразное. В газообразном состоянии молекулы воды находятся дальше друг от друга, чем в жидком. Это происходит потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу. Когда они испаряются, они отрываются от этих притяжений и отдаляются друг от друга.
Чем дальше друг от друга молекулы воды, тем они менее плотные. Вот почему водяной пар менее плотный, чем воздух. Газ внутри пузырька в основном состоит из водяного пара, поэтому он также менее плотный, чем воздух.
Плотность газа также может зависеть от его температуры. По мере того, как температура газа увеличивается, молекулы газа движутся быстрее. Это заставляет их рассредоточиваться и становиться менее плотными. Обратное также верно. По мере того, как температура газа уменьшается, молекулы газа движутся медленнее. Это заставляет их группироваться и становиться более плотными.
Температура газа внутри пузырька зависит от температуры воды вокруг него. Чем теплее вода, тем теплее газ внутри пузырька. Это означает, что газ внутри пузырька будет менее плотным, если вода теплая, чем если вода холодная.
Мыльные пузыри использовались в качестве развлечения по меньшей мере 400 лет, о чем свидетельствуют фламандские картины 17 века, на которых дети пускают пузыри с помощью глиняных трубок. Лондонская фирма A. & F. Pears создала знаменитую рекламную кампанию для своего мыла в 1886 году, используя картину Джона Эверетта Милле, на которой ребенок играет с пузырями. Чикагская компания Chemtoy начала продавать мыльный раствор в 1940-х годах, и с тех пор мыльный раствор пользуется популярностью у детей. Согласно одной из оценок отрасли, розничные торговцы продают около 200 миллионов бутылок в год. Жидкость для мытья посуды с водой и дополнительными ингредиентами, такими как глицерин и сахар, используется в качестве популярной альтернативы готовому мыльному раствору. [11]
Пузырь состоит из прозрачной воды, содержащей прозрачный воздух. Однако мыльная пленка такая же тонкая, как длина волны видимого света , что приводит к оптической интерференции . Это создает радужность , которая вместе со сферической формой и хрупкостью пузыря способствует его магическому воздействию на детей и взрослых. Каждый цвет является результатом различной толщины пленки мыльного пузыря. Том Нодди (который фигурировал во втором эпизоде сериала Маркуса дю Сотуа « Кодекс ») привел аналогию с рассмотрением контурной карты поверхности пузырьков. Однако стало проблемой производить искусственно окрашенные пузыри.
Байрон, Мелоди и Энох Суэтленд изобрели запатентованный нетоксичный пузырь (Tekno Bubbles) [12] , который светится под УФ-светом. Эти пузырьки выглядят как обычные высококачественные «прозрачные» пузырьки при обычном освещении, но светятся при воздействии настоящего УФ-света. Чем ярче УФ-свет, тем ярче они светятся. Семья продавала их по всему миру, но с тех пор продала свою компанию.
Добавление цветного красителя в пузырьковые смеси не приводит к образованию цветных пузырей, поскольку краситель прикрепляется к молекулам воды, а не к поверхностно-активному веществу. Таким образом, образуется бесцветный пузырек, в котором краситель падает в точку у основания. Химик -краситель доктор Рам Сабнис разработал лактоновый краситель, который прилипает к поверхностно-активным веществам, что позволяет образовывать ярко окрашенные пузыри. Примером является лактон кристаллического фиолетового цвета . Другой человек по имени Тим Кехо изобрел цветной пузырь, который теряет цвет под воздействием давления или кислорода, который он теперь продает в Интернете как Zubbles , которые нетоксичны и не оставляют пятен. В 2010 году японский астронавт Наоко Ямазаки продемонстрировала, что в условиях микрогравитации можно создавать цветные пузыри . Причина в том, что молекулы воды равномерно распределены вокруг пузырька в условиях низкой гравитации.
Если мыльные пузыри выдувать в воздух с температурой ниже −15 °C (5 °F ), они замерзнут, когда коснутся поверхности . Воздух внутри постепенно диффундирует наружу, заставляя пузырь крошиться под собственным весом. При температуре ниже примерно −25 °C (−13 °F) пузыри замерзают в воздухе и могут разбиться при ударе о землю. Когда пузырь выдувается теплым воздухом, пузырь сначала замерзает до почти идеальной сферы, но когда теплый воздух остывает и происходит уменьшение объема, происходит частичное схлопывание пузыря. Пузырь, успешно созданный при такой низкой температуре, всегда будет довольно маленьким; он быстро замерзнет и разобьется, если его увеличить еще больше. [13] Замерзание маленьких мыльных пузырей происходит в течение 2 секунд после того, как они осядут на снегу (при температуре воздуха около –10...–14 °C). [14]
.JPG/1280px-Szappanbubor%C3%A9k_-_Alex,_De%C3%A1k_t%C3%A9r_(1).JPG)
Представления с мыльными пузырями сочетают в себе развлечение и художественные достижения. Они требуют высокой степени мастерства. [ требуется ссылка ] Некоторые исполнители используют обычные коммерчески доступные жидкости для пузырей, в то время как другие придумывают свои собственные решения. Некоторые артисты создают гигантские пузыри или трубки, часто обволакивающие предметы или даже людей. Другим удается создавать пузыри, образующие кубы, тетраэдры и другие формы. Пузыри иногда берут голыми руками. Чтобы усилить визуальный опыт, их иногда наполняют дымом , паром или гелием и сочетают с лазерным светом или огнем. Мыльные пузыри можно наполнить горючим газом, например природным газом , а затем поджечь.
Среди профессиональных художников, создающих мыльные пузыри, — Том Нодди , Фань Янг и The Amazing Bubble Man .
Пузыри можно эффективно использовать для обучения и изучения самых разных концепций даже для маленьких детей. Гибкость, формирование цвета, отражающие или зеркальные поверхности, вогнутые и выпуклые поверхности, прозрачность, разнообразие форм (круг, квадрат, треугольник, сфера, куб, тетраэдр, шестиугольник), эластичные свойства и сравнительный размер, а также более эзотерические свойства пузырей, перечисленные на этой странице. Пузыри полезны для обучения концепциям, начиная с 2 лет и до студенческих лет. Профессор швейцарского университета, доктор Натали Хартцелл, выдвинула теорию, что использование искусственных пузырей в развлекательных целях для маленьких детей показало положительный эффект в области мозга ребенка, которая контролирует двигательные навыки и отвечает за координацию, при этом дети, подвергавшиеся воздействию пузырей в раннем возрасте, демонстрируют заметно лучшие двигательные навыки, чем те, кто не подвергался воздействию. [15]
