Мыльные пузыри – природное чудо!

В повседневной жизни мы часто используем какие-то вещи, не задумываясь, как это связано с физикой. Скажите, кто из вас хотя бы раз надувал мыльные пузыри? А чем интересна была для вас эта забава? А какая связь существует между мыльными пузырями и физикой? Мы попытаемся ответить на этот вопрос подробнее.

Эта забава известна с давних времён и привлекает как детей, так и взрослых. Например, при раскопках известного города Помпеи были найдены фрески с изображением детей, выдувающих мыльные пузыри. Не менее популярна эта забава и в наш век высоких технологий. В народе мыльные пузыри ассоциируются с чем-то ненадежным, недолговечным. Поэтому это значение закрепилось в устойчивых словосочетаниях, таких как «лопнул как мыльный пузырь». Вспомните и приведите такие примеры. (Пропал, как мыльный пузырь; идея, которая не может быть претворена в жизнь, подобна мыльному пузырю; на защите лабораторной работы у ученика, кроме мыльных пузырей, ничего не видно; экономика мыльного пузыря и т. д.). Совсем иначе смотрит на них физик. «Выдуйте мыльный пузырь, — писал великий английский учёный Кельвин, — и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Давайте и мы сегодня попробуем рассмотреть основные особенности этого явления.

Интерференция в тонких плёнках

 . Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на его поверхность. Самое привлекательное — это его радужная окраска. Радужная окраска на поверхности мыльных пузырей объясняется явлением интерференции. Интерференция — это сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос.

Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проходит внутренняя поверхность пузыря внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.

Давайте понаблюдаем за изменением окраски пузыря от момента его появления до момента, когда он лопнет. По мере того как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя золотисто-жёлтый). В конце концов стенка пузыря становится такой тонкой, что все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит пузырь скорее всего лопнет.

Было замечено, что если плёнка однородная, с одинаковой толщиной, то интерференционные полосы имеют равную ширину. Это свойство имеет практическую направленность для проверки правильности шлифовки оптических стекол. Искривление полос при совмещении отшлифованного стекла с контрольной плоской пластинкой точно укажет, где шлифовка не правильная.

Структура мыльного пузыря

Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной, а другая — гидрофобной. Гидрофильная часть привлекается тонким слоем воды, в то время как гидрофобная, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение.

Что происходит с плёнкой при надувании пузыря? (Между молекулами существуют силы взаимного притяжения. Когда расстояние между молекулами становится настолько большим, что силы притяжения перестают действовать, шар лопается.)

Долговечность мыльного пузыря

Как вы думаете, как долго может существовать мыльный пузырь?

Следует отметить, что обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне правильны: при надлежащем обращении удаётся сохранить мыльный пузырь в продолжение целых декад.

Английский физик Дьюар (прославившийся своими работами по сжижению воздуха, изобретатель всем известной колбы для термоса) хранил мыльные пузыри в особых бутылках, хорошо защищённых от пыли, высыхания и сотрясения воздуха; при таких условиях удалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Лоренцу в Америке удавалось годами сохранять мыльные пузыри под стеклянным колпаком. Преподавателю физики из штата Индиана удалось сохранить пузырь в стеклянной банке в течение 340 дней. Ученики превзошли своего учителя — их пузыри хранились под колпаком по многу лет, и это, похоже, не рекорд. Для обеспечения длительного хранения необходимо соблюсти условия тонкого равновесия мыльной плёнки с окружающим и внутренним пространством, что оказалось далеко не простым делом. Поддержание формы мыльных пузырей требует основательных физических знаний и солидной экспериментальной подготовки.

Форма мыльного пузыря

Когда вы запускали мыльные пузыри, какую форму они имели? Почему? (По закону Паскаля, давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку одинаково во всех направлениях.)

Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.

Что касается формы мыльного пузыря, то это не всегда обязательно шар. Натянув мыльную плёнку на каркасы, она может принимать самые немыслимые формы.

Демонстрация «Свеча, погасни!»

При помощи воронки выдувает большой мыльный пузырь. Направляет воронку к пламени свечи, пламя гаснет. Почему свеча погасла? (Плёнка мыльного пузыря всё время находится в натяжении и давит на заключённый в ней воздух.)

Зимой каждый может понаблюдать красивое явление — замерзание мыльных шаров на морозе. Они замерзают уже при температуре −7 °C. Плёнка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Если дать возможность мыльному закристаллизовавшемуся пузырю упасть на пол, он не разобьётся, не превратится в звенящие осколки, как стеклянный шарик, каким украшают ёлку. На нём появятся вмятины, отдельные обломки закрутятся в трубочки. Плёнка оказывается не хрупкой, она обнаруживает пластичность. Пластичность плёнки оказывается следствием малости её толщины. Заморозить, чтобы потом воскресить мыльный пузырь, учёным удалось сравнительно недавно. Подобным образом происходит процесс заморозки биологических субстанций. Изучать физические процессы, происходящие при заморозке мыльных пузырей, намного проще, чем на биологических объектах, содержащих избыточное число всевозможных факторов, неподдающихся строгому учёту и физическому контролю. Таким образом, пузыри оказались полезны для изучения проблем бессмертия.

Демонстрация «пирамида»

Берёте проволочный куб и погружаете его целиком в раствор. Вытаскиваете осторожно, в центре большого куба оказывается тонкая квадратная плёнка, соединённая плёнками с рёбрами куба (на рисунке правый куб). Затем снова погружаете в мыльный раствор, только одной нижней его плоскостью. В середине куба появляется маленький кубик из мыльной плёнки, а вокруг него — шесть правильных пирамид, отливающих всеми цветами радуги. Дотрагиваетесь до одной из плоскостей большого куба клочком пропускной бумаги — кубик внутри него мгновенно превращается снова в квадрат. Почему так происходит? (Площадь плёнок на каркасе всегда минимальна.)

С помощью рамок можно наглядно решать некоторые геометрические задачи. При проектировании зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчёт проверяется с помощью мыльных плёнок, которые формируются на этих рамках. Это свойство мыльного пузыря используется архитекторами для создания экономичной и устойчивой конструкции покрытия, которую можно создать при минимальном расходе материалов.