Поверхностное натяжение мыльного пузыря

Жидкость без цвета и запаха, знакомая каждому с первых дней жизни, привычная настолько, что мы и не замечаем, что она значит для нас... Задумывались ли вы, что вода — самое удивительное вещество не только на Земле, но и во всей Вселенной? Если начать перечислять свойства воды, которые позволили зародиться жизни, — это выльется в приличный список. Но пока мы хотим изучить только одно явление: поверхностное натяжение воды.

Оно, гласит теория, возникает на границе двух поверхностей. Не обязательно вода-воздух: капля масла в воде приобретает форму сферы тоже из-за поверхностного натяжения.

Самым примитивным объяснением эффекта поверхностного натяжения послужит картина молекул, притягиваемых соседними молекулами. Притяжение внутрь жидкости, как и гравитационное, компенсируется давлением изнутри. Извне притяжения нет — в случае границ жидкость-воздух или не растворяющих друг друга жидкостей. Притяжение же молекул вдоль поверхности и создает это самое поверхностное натяжение. Вспомните, как вы увидели в детстве жука-водомерку, бегающего по поверхности воды, и удивились — почему же он не проваливается в воду?..

Можно попробовать осторожно положить на воду канцелярскую скрепку — она будет лежать на воде. То же и с мелкой монеткой. Можно проделать и такой красивый эксперимент: в наполненном до краев стакане воды осторожно «укладывать» на поверхность монетки, — при этом вода поднимается, образуя купол над краями стакана. Купол, увешанный плавающими монетками!

Хороший пример «работы» поверхностного натяжения: брызги на поверхности стола собираются в капельки со скругленными границами. Или струя воды из крана: обратите внимание — сначала она сплошная, но вскоре распадается на отдельные капельки.

В сентябре 2004 года американские исследователи из университета Карнеги Меллона сконструировали прототип крошечного робота, способного перемещаться по поверхности воды. При создании робота ученые взяли за основу метод перемещения водомерок по водным поверхностям. Устройство получило название Water Strider и предназначено для мониторинга окружающей среды.

... А теперь попробуйте в воду с плавающими скрепками и монетками добавить каплю шампуня... Они утонут!

Как же так? Ведь мыло должно увеличивать поверхностное натяжение, мыльный раствор позволяет воде пениться, на этом и основан эффект мыльных пузырей. Почему же предметы тонут?

А потому, что добавление мыла не увеличивает, а уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Это легко объяснить: молекулы мыла, вклиниваясь между молекулами воды, снижают их взаимное притяжение.

А как же все-таки мыльные пузыри?

Дело в том, что при растягивании мыльной пленки концентрация молекул мыла на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Получается, что мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. А еще мыло предохраняет воду от испарения, увеличивая время жизни пузыря. Но зато на «плавучесть» на поверхности воды оно, мыло, влияет губительно.

Вообще, мыльные пузыри крайне интересны, поэтому я расскажу о них подробнее.

К сожалению, мыльные пузыри далеко не самый популярный предмет людских исследований, поэтому их биография весьма размыта и неопределённа.

При раскопках древних Помпей археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев, выдувающих мыльные пузыри. Видимо, у них были свои секреты производства мыла, но мимо красочных воздушных пузырей пройти было невозможно. Таким образом, мы можем сказать, что они существуют достаточно долгое время.

Однако, потом люди заинтересовались таким явлением, как мыльные пузыри и решили его исследовать…

Миф о недолговечности мыльного пузыря развеял англичанин Джеймс Дьюар, законсервировавший мыльный пузырь в сосуд в герметичном сосуде с двойными стенками на срок более месяца. Забава оказалась полезной: позднее дьюар – сосуд, названный в честь изобретателя, – нашел применение для хранения и перевозки жидкого азота.

Преподавателю физики из штата Индиана удалось сохранить пузырь в стеклянной банке в течение 340 дней. Ученики превзошли учителя – их пузыри хранились под колпаком помногу лет, и это, похоже, не рекорд. Для обеспечения длительного хранения необходимо соблюсти условия тонкого равновесия мыльной пленки с окружающим и внутренним пространством, что оказалось далеко не простым делом. Поддержание формы мыльных пузырей требует основательных физических знаний и солидной экспериментальной подготовки.

Имя самого удачливого «надувателя» мыльных пузырей из Берна вошло в книгу рекордов Гиннеса: в 1985 году мастер публично выдул пузырь длиной 4 с половиной метра. Горячие головы вытворяют с мыльными пузырями невиданные трюки: десятками загоняют их один в другой, укладывают в длинные бисерные цепочки и складывают из них цветные узоры, заставляют танцевать на шерстяной или джинсовой ткани, а то и на невидимой подушке из углекислого газа. Профессиональные фокусники те вообще сделали мыльные пузыри предметом прибыльного ремесла, на потребу публике превращая воздушных акробатов в огромные стеклянные шары и прочие полезные и не очень предметы. Подсчитано, что из капли мыльной воды в 1 мм куб можно выдуть пузырь диаметром 20 см, а 1 мл раствора хватит на пузырь диаметром 6 м. Экономия материала налицо, успех бизнеса целиком зависит от ловкости рук.

Не менее интересный чем пускание пузырей, процесс их лопанья. Но к сожалению процесс очень быстрый, поэтому человеческий глаз его зафиксировать не может, а вот специальная фотокамера, делающая 500 снимков за секунду вполне. Фотографу из Великобритании Ричарду Хиксу удалось получить очень красивые снимки этого процесса.

Этот необычный эксперимент фотограф Ричардс Хикс из Эксетера проводил в укромном уголке своего сада. Кроме того, Ричардс долго дожидался безветренного дня, чтобы без помех выполнить задуманное. Помощницей Хикса стала его жена Сара. Именно она выдула и затем лопнула этот замечательный пузырь, потрясающий наше воображение.

Мыльный пузырь, как известно, состоит из трех слоев – тонкий слой воды зажатый меж двумя слоями молекул мыла.

Госпожа Хикс пальцем нарушила поверхностное натяжение пузыря, и он лопнул. А в это время Ричардс с макро-камерой проводил съемку. Хикс использовал выдержку 1/500.

Мысль запечатлеть мыльный взрыв пришла в голову Ричардсу месяц назад, когда он увидел племянницу, пускающую пузыри.

- Я тогда как раз подыскивал новые идеи для съемок, - цитирует Ричардса Хикса The Daily Mail, - и сразу загорелся мыслью снять взрыв мыльного пузыря. Немного удачи, и все получилось.

37-летний Сэм Хит (Sam Heath), он же Samsam Bubbleman, продемонстрировал в лондонском Финсбери-парке (Finsbury Park) свой новый самый большой в мире свободноплавающий мыльный пузырь.

Пузыреолог (bubbleologist) Сэм (именно так называют себя любители выделывать самые невероятные фокусы с мыльными пузырями) увлёкся тончайшей материей в возрасте семнадцати лет. С тех пор он научился творить самые настоящие чудеса и даже создал свою собственную компанию Bubble Inc., которая торгует мыльными смесями, особым оборудованием и устраивает шоу (в том числе для знаменитостей).

Нынешний переливающийся всеми цветами радуги гигант был получен с помощью обыкновенных палок и верёвки. Секрет скорее в формуле используемого раствора (которую Сэм, естественно, тщательно скрывает). "Главное — это состав, с хорошим вариантом можно создать большой пузырь даже с помощью вешалки-плечиков или рук", — говорит Хит.

"Пузыреолог — он как ловец ветра. Со временем становишься невероятно чувствительным к малейшим изменениям. Ведь для того чтобы получить действительно большой пузырь, необходимо учитывать направление и силу каждого дуновения", — говорит Сэм.

Если рекорд будет подтверждён официально, он присоединится к копилке предыдущих достижений Сэма: в ноябре 2007 года он умудрился запихнуть в один большой мыльный пузырь больше всего маленьких пузырей (в количестве 66 штук), а в 2008 году – 50 детей (фото Bubble Inc. и Mail Online).

Точный объём получившегося ныне мыльного пузыря пока не подсчитан, но, по заверениям Сэма, "американец по сравнению с его детищем всё равно что карлик". Напомним, что предыдущий рекорд, вошедший в книгу рекордов Гиннесса (Guinness World Record), был зафиксирован в 2005 году в Миннесоте (объём "шарика" составил 2985 литров).

Учитывая, что лучший образец Хита растянулся на 6 метров в длину и примерно 1,5 x 1,5 в ширину, получается, что его рекордсмен вмешает 13,5 тысячи литров.

Во-первых, форма. Минимальная поверхность у равных по объему предметов — сфера. Именно ее форму и пытается принять пузырь. Правда, ему мешают потоки воздуха: сначала внутренние, при надувании, потом внешние — от ветерка. Но он упорно старается вернуться к сфере, принимая самые забавные очертания. Давление воздуха внутри пузыря компенсируется «сжимающей» силой поверхностного натяжения.

Во-вторых, — радужные блики на пузырях, те самые, что превращают наши «мыльные» забавы в настоящий праздник. Это волны света, отражающиеся от внешней поверхности пленки, совмещаются (интерферируют) с волнами, отражающимися от внутренней поверхности. Разница фаз пропорциональна толщине пленки и дает усиление той или иной длины волны в зависимости от толщины. Можно заметить и изменение радужных цветов: желтые и красные тона постепенно переходят в сине-голубые, так как пленка становится тоньше и сдвиг по фазе соответствует цветам с меньшей длиной волны.

Интересны и картины отражения в сферических зеркалах. Это относится не только к пузырям, но и к металлическим шарам: картина искажается, причем чем дальше от ближайшей точки сферы, тем сильнее. Любопытно, что у пузырей видно и отражение от внутренней их поверхности, оно сильно отличается от «внешнего отражения». А при желании можно построить ход падающего и отраженного лучей для этих поверхностей. Внешнее, «панорамное» отражение — все, что «видит» сфера с нашей стороны. «Внутреннее» же может увеличивать или переворачивать изображение в зависимости от расстояния.

Еще увлекательная забава — или серьезное исследование, которое можно проводить самостоятельно: замерзание пузырей. Для выдувания их надо выйти на улицу (естественно, зимой, в мороз). Уже при температуре −15°C он замёрзнет. В воду, кроме шампуня, можно добавить немного глицерина — его продают в аптеках. Или подождите добавлять, — попробуйте «поморозить» пузыри без глицерина, а потом с ним. Для опытов (и не на морозе тоже) хорошо подойдет трубочка от коктейля или пустой стержень от шариковой ручки. А для больших пузырей можно использовать пластиковые бутылки с отрезанным дном.

На морозе пузырь вскоре замерзнет — и, опять-таки, даст повод для разных опытов. Вы убедитесь, что замерзший пузырь — довольно прочный, не хрупкий, при падении не раскалывается на мелкие кусочки. Еще забавно наблюдать сам процесс: как на пузыре появляются центры кристаллизации и от них процесс распространяется на всю поверхность. Есть описания опыта встречи пузыря со снежинкой — для незамерзшего пузыря она станет центром и приведет к его замерзанию...