Мильна бульбашка
Мильна бульбашка - тонка плівка мильної води, яка формує кулю з переливчастої поверхнею. Мильні бульбашки зазвичай існують лише кілька секунд і лопаються при дотику або мимовільно. Їх часто використовують в своїх іграх діти, але використання міхурів в розважальних шоу показує, що і дорослим вони теж подобаються. Через недовговічності мильний міхур став синонімом чогось привабливого, але беззмістовного і недовговічного. Іноді акції на «новому ринку» порівнюють з мильними бульбашками.
2 Фізичні основи
2.1 Поверхневий натяг і форма
2.2 Замерзання бульбашок
2.3 Об'єднання бульбашок
2.4 Інтерференція і відображення
3 Математичні властивості
4 Як робити мильні бульбашки
Плівка міхура складається з тонкого шару води, укладеного між двома шарами молекул, найчастіше мила. Ці шари містять в собі молекули, одна частина яких є гидрофильной, а інша гидрофобной. Гідрофільна частина залучається тонким шаром води, в той час як гідрофобна, навпаки, виштовхується. В результаті утворюються шари, що захищають воду від швидкого випаровування, а також зменшують поверхневий натяг.
Поверхневий натяг і форма
Пузир існує тому, що поверхню будь-якої рідини (в даному випадку води) має деякий поверхневий натяг, яке робить поводження поверхні схожим на поведінку чогось еластичного. Однак, міхур, зроблений тільки з води, нестабільний і швидко лопається. Для того, щоб стабілізувати його стан, у воді розчиняють які-небудь поверхнево-активні речовини, наприклад, мило. Поширена помилка полягає в тому, що мило збільшує поверхневий натяг води. Насправді, воно робить якраз протилежне, зменшує поверхневий натяг приблизно до третини від поверхневого натягу чистої води. Коли мильна плівка розтягується, концентрація мильних молекул на поверхні зменшується, збільшуючи при цьому поверхневий натяг. Таким чином, мило вибірково підсилює слабкі ділянки міхура, не даючи їм розтягуватися далі. На додаток до цього, мило охороняє воду від випаровування, тим самим, роблячи час життя міхура ще більше.
Сферична форма міхура також виходить за рахунок поверхневого натягу. Сили натягу формують сферу тому, що сфера має найменшу площу поверхні при даному обсязі. Ця форма може бути істотно викривлена потоками повітря і, тим самим, самим процесом надування бульбашки. Однак, якщо залишити міхур плавати в спокійному повітрі, його форма дуже скоро стане близькою до сферичної.
Якщо надути бульбашку при температурі -15 ° C, то він замерзне при зіткненні з поверхнею. Повітря, що знаходиться всередині міхура, буде поступово просочуватися назовні і в кінці кінців міхур зруйнується під дією власної ваги.
При температурі -25 ° C бульбашки замерзають в повітрі і можуть розбитися при ударі об землю. Якщо при такій температурі надути бульбашку теплим повітрям, то він замерзне майже в ідеальній сферичній формі, але в міру того, як повітря буде охолоджуватися і зменшуватися в обсязі, міхур може частково зруйнуватися, і його форма буде спотворена. Бульбашки, надуті при такій температурі завжди будуть невеликими, так як вони будуть швидко замерзати і якщо продовжувати їх надувати, то вони лопнуть.
Коли два міхура з'єднуються, вони приймають форму з найменшою можливою площею поверхні. Їх загальна стінка буде випинатися всередину більшого міхура, так як менший міхур має більший внутрішній тиск. Якщо бульбашки однакового розміру, їх загальна стінка буде плоскою.
Якщо бульбашок більше ніж три, вони будуть розташовуватися таким чином, що тільки три з них будуть стикатися біля однієї стінки. Так як поверхневий натяг в точці дотику бульбашок однакове для кожної поверхні, кут між утворюються стінками становить 120 °. Оскільки бульбашки завжди прагнуть прийняти форму з найменшою поверхнею, цей кут є найефективнішим. Тому бджоли, які прагнуть зменшити витрату воску, з'єднують стільники у вуликах під цим же кутом, формуючи, тим самим, правильні шестикутники.
Інтерференція і відображення
Переливчасті кольори мильних бульбашок виходять за рахунок інтерференції світлових хвиль і визначаються товщиною мильної плівки.
Коли світло стикається з плівкою міхура, частина його відбивається від зовнішньої поверхні, в той час як інша частина проникає всередину плівки і відбивається від внутрішньої поверхні. Спостережуване відображення визначається інтерференцією цих двох відображень. Оскільки кожен прохід світла через плівку створює зсув по фазі пропорційний товщині плівки і обернено пропорційний довжині хвилі, результат інтерференції залежить від двох величин. Відбиваючись, деякі хвилі складаються в фазі, а інші в протифазі, і в результаті біле світло, що стикається з плівкою, відбивається з відтінком, залежних від товщини плівки.
У міру того, як плівка стає тоншою через випаровування води, можна спостерігати зміну кольору міхура. Більш товста плівка прибирає з білого світла червоний компонент, роблячи тим самим відтінок відбитого світла синьо-зеленим. Більш тонка плівка прибирає жовтий (залишаючи синє світло), потім зелений (залишаючи пурпурний), і потім синій (залишаючи золотисто-жовтий). Зрештою стінка міхура стає тоншою, ніж довжина хвилі видимого світла, все це позначається хвилі видимого світла складаються в протифазі і ми перестаємо бачити віддзеркалення зовсім. Коли це відбувається, товщина стінки мильної бульбашки менше 25 нанометрів, і міхур, швидше за все, скоро лопне.
Ефект інтерференції також залежить від кута, з яким промінь світла стикається з плівкою міхура. Таким чином, навіть якщо б товщина стінки була всюди однаковою, ми б все одно спостерігали різні кольори через рух міхура. Але товщина міхура постійно змінюється через гравітації, яка стягує рідина в нижню частину так, що зазвичай ми можемо спостерігати смуги різного кольору, які рухаються зверху вниз.
Відображення хмар в мильній бульбашці
У цій діаграмі промінь світла стикається з поверхнею в точці X. Частина світла відбивається, а частина проходить через зовнішню поверхню і відбивається від внутрішньої.
На цій діаграмі зображені два променя червоного світла (промені 1 і 2). Обидва промені розбиваються на два, але нас цікавлять тільки ті частини, які зображені суцільними лініями. Розглянемо промінь, що виходить з точки Y. Він складається з двох променів, накласти один на інший: частини променя 1, яка пройшла через стінку міхура і частини променя 2, яка відбилася від зовнішньої поверхні. Луч, що пройшов через точки XOY подорожував довше променя 2. Припустимо, сталося так, що довжина XOY пропорційна довжині хвилі червоного світла, тому два променя складаються в фазі.
Ця діаграма схожа на попередню, за винятком того, що довжина хвилі світла інша. Цього разу відстань XOY непропорційно довжині хвилі, і промені складаються в протифазі. В результаті, синій колір не відбивається від міхура з такою товщиною стінки.
Це комп'ютерне зображення показує кольору, відбиті тонкою плівкою води, освітленій неполяризованим білим світлом.
Мильні бульбашки утворюють піну
Плівка мильної бульбашки завжди прагне мінімізувати свою площу поверхні. Таким чином, оптимальна форма окремого міхура - сфера. Велика група бульбашок, об'єднаних в піну, має набагато більш складну форму.
Як робити мильні бульбашки
Найпростіший спосіб - використовувати спеціальну рідину для мильних бульбашок (яка продається в якості іграшки) або просто змішати засіб для миття посуду з водою. Але, останній спосіб може не дати таких хороших результатів, яких хотілося б отримати, тому ось кілька прийомів, які допомагають поліпшити результат:
• Що-небудь зменшує поверхневий натяг води, наприклад, рідке мило або дитячий шампунь. Чим чистіше мило (без домішок парфуму або інших добавок), тим більше кращий результат може вийти.
• Що-небудь уплотняющее воду. Найбільш часто використовується гліцерин (який можна купити в аптеці). Також можна використовувати цукор, який краще розчиняти в теплій воді. Однак, щільність води може стати занадто великий, тому важливо дотримуватися помірності.
• Дистильована вода. Вода з-під крана містить іони кальцію, які пов'язують мило. Дистильована вода працює краще.
• Якщо залишити суміш відкритої на кілька годин, то її щільність теж стане вище. Але, знову, якщо вона стане занадто високою, видувати бульбашки буде складно.
• Краще уникати бульбашок або піни на поверхні суміші, акуратно їх прибираючи або просто дочекавшись, поки вони зникнуть.
Те, наскільки просто буде робити бульбашки залежить від безлічі різних факторів. Різне мило, різні умови навколишнього середовища, наприклад, краще уникати пильної повітря або вітру. Також, чим більше вологість повітря, тим краще, а значить краще робити бульбашки в дощовий день. Іншими словами, найкращий спосіб знайти ідеальне рішення - це метод проб і помилок.