Мыльный пузырь

Интерференционные цвета в «радужном» мыльном пузыре заметно отличаются от цветов «настоящей» радуги, но они не менее прекрасны…
В этом пузыре, как в стеклянном шаре, видны отражения деревьев.

Интерференция света в пене из мыльных пузырьков

Мыльный пузырь — разноцветные пузыри, выдуваемые из мыльного раствора, с помощью соломинки или специальных приспособлений. Тончайшая стенка мыльных пузырей вызывает эффект интерференции света, благодаря чему пузыри переливаются «всеми цветами радуги», особенно на ярком свету. Форма мыльных пузырей почти сферическая, за счёт действия сил поверхностного натяжения.

Пускание мыльных пузырей — старинная детская забава, однако их красота привлекала также и взрослых, что позволило открыть многие физические и математические закономерности. Пузыри обычно очень недолговечны, но были разработаны специальные растворы и способы создания долгоживущих, огромных пузырей.

• В переносном смысле «мыльными пузырями» называют привлекательные, но недолговечные идеи и проекты.

История

Мыльные пузыри по-видимому стали доступны лишь после изобретения «жирового» мыла, на основе стеаратов натрия и калия. Хотя некоторые растительные экстракты (мыльный корень, лакрица) в принципе могли быть пригодны для создания пузырей, сведений о таких «древних» пузырях пока не обнаружено.

Как получают мыльные пузыри?

Мыльные пузыри не сразу приобретают форму шара…

Состав растворов

В принципе пузыри можно формировать из любых жидкостей, точнее растворов поверхностно-активных веществ, имеющих достаточную полярность молекул, например, из водных раствором мыла. «Чисто-водяной» пузырь, без раствора ПАВ, будет неустойчив, из-за испарения и малого поверхностного натяжения. Для стабилизизации плёнки необходимы поверхностно-активные вещества (ПАВ), первым из которых было изобретено мыло. До появления синтетических ПАВ чаще всего использовалось обычное, натриевое мыло. Жидкие калийные мыла более удобны для создания мыльных пузырей; для большей стойкости плёнки к раствору добавляли глицерин.

Мыла или ПАВ снижают поверхностное натяжение воды в 2-4 раза. Под действием движения воздуха шарообразная поверхность мыльного пузыря искажается, хотя его объём — сохраняется прежним. Искажение поверхности приводит к росту площади мыльной плёнки, она в некоторых местах растягивается. Концентрация молекул ПАВ на поверхности плёнки в местах растяжения снижается, а поверхностное натяжение — растёт. Возникает движение раствора в плёнке, стабилизирующее пузырь — обратная связь, увеличивающая устойчивость мыльного пузыря.

Синтетические ПАВ открыли новую эпоху для создания игрушек типа «Радужные шары». В домашних условиях для этой цели можно использовать любые шампуни.

Растворы ПАВ на открытом воздухе постепенно теряют воду, их концентрация растёт, и пузыри могут стать неустойчивыми. В этом случае раствор следует разбавить, лучше — дистиллированной водой.

Приспособления

Вместо соломинки современные дети используют специальные пластмассовые державки, имеющие одно-два отверстия и развитую поверхность, для того, чтобы удержать как можно больше раствора — до того, как он будет превращён выдуванием в огромный пузырь. Но если дуть в такую державку быстро, получится серия, целый шлейф мелких пузырьков.

Для организации различных шоу выпускают большие механизированные генераторы мыльных пузырей.

Физика и химия пузырей

Отчего устойчива плёнка?

Схема строения пленки мыльного пузыря

Сферическая форма пузыря обусловлена действием сил поверхностного натяжения, стягивающих мембрану к форме с наименьшей площадю поверхности. При выдувании пузыря его форма обусловлена мощностью потока воздуха, но в спокойном воздухе его форма скоро становится сферической. Однако любое дуновение ветра, толкая пузырь, заставляет его поверхность искажаться, и даже приводит к возникновению колебаний формы мыльного пузыря. Стенка пузыря состоит из тонкого слоя водного раствора ПАВ, на обеих поверхностях которых сконцентрированы молекулы ПАВ. Гидрофобные части ПАВ, например, стеарат-ионы из мыльного раствора, направлены вовне плёнки, а гидрофильные участки — находятся в водной фазе. Если молекул ПАВ много, они дополнительно стабилизируют пузыри, замедляя испарение воды.

Взаимодействие пузырей

При столкновении мыльных пузырей они «слипаются», временно образуя «двойной пузырь». Если пузыри имели одинаковый размер, общая для них стенка будет плоской, но при разном размере исходных пузырей она будет иметь форму сегмента сферы.

В дальнейшем их воздушные камеры могут могут объединиться, хотя иногда один из пузырей просто лопается.

Слияние мыльных пузырей

Soap bubbles can easily merge.

Тайна переливчатых цветов

Особенно поразительной кажется «игра цветов» в тонкой мыльной плёнке. Её происхождение было установлено лишь на основе понятия интерференции — волнового взаимодействия лучей света, как электромагнитной волны. Тонкая плёнка — стенка мыльного пузыря — имеет толщину, ненамного (до 2-5 раз) превышающую длину волны видимого света (400—700 нм).

По мере «высыхания» пузыря, толщина его стенки уменьшается, достигая такого минимального значения, при котором пузырь становится «невидимкой» (около 200 нм).

• 

  Луч света касается поверхности пузыря в точке X. Часть света отражается от наружной поверхности плёнки, другая часть проходит через неё, и отражается от внутренней.

• 

  Лучи красного света (1,2) расщепляются в плёнке. Луч, выходящий из точки Y складывается из двух лучей (сплошные линии): части луча 1, прошедшей через стенку пузыря и части луча 2, отражённой от внешней поверхности. Луч 1, прошедший по пути XOY прошёл больший путь, нежели луч 2. Если длина пути XOY была кратна длине волны красного света, оба луча усиливаются, складываясь в фазе.

• 

  Аналогичная схема для синего луча; расстояние XOY некратно длине волны, и лучи складываются в противофазе. В результате, синий цвет гасится (не отражается от пузыря с такой толщиной стенки).

• 

  Цветовая гамма, возникающая при отражении света от тонкой плёнки воды (освещение неполяризованным белым светом).

Отражение света в мыльных пузырях

Облака, отражённые в мыльном пузыре

Если окружающие предметы хорошо освещены или имеют высокую яркость, можно наблюдать их отражение света в почти зеркальной поверхности мыльных пузырей.

Пузыри можно красить!

Пузыри с относительно толстой стенкой неокрашены, и напоминают стеклянные. Добавки красителей (например, en:Crystal violet lactone) к раствору позволяют получить окрашенные пузыри.

Замораживание пузырей

Зимой, при температуре воздуха ниже −25 °C пузыри замерзают на лету, и могут разбиться при ударе о землю. Если пузырь надут тёплым воздухом, то он замёрзает почти в идеальной сферической форме, но охлаждающийся воздух, уменьшаясь в объёме, разрушит отвердевший пузырь. Пузыри, надутые при такой температуре, всегда будут небольшими, так как они быстро замерзают, и если продолжать их надувать, то они лопнут.

Математика мыльного пузыря

Пена на поверхности раствора состоит из множества мыльных пузырьков

Объёмная пена

Мыльные пузыри являются наглядной физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Например, несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объёме, только в 2000 году было доказано математически, что два объединённых пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединённом объёме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря (double bubble theorem,). С появлением геометрической теории меры удалось доказать, что оптимальная поверхность будет кусочно-гладкой, а не бесконечно изломаной.

Силы поверхностного натяжения стремятся минимизировать площадь поверхности плёнки мыльного пузыря. Термодинамика поясняет, что свободная энергия жидкой плёнки пропорциональна площади её поверхности и стремится к достижению минимума: $$\Delta\mathcal{F} = \sigma S$$

где $\sigma$ — поверхностное натяжение раствора, а $S$ — полная площадь поверхности плёнки.

Оптимальная форма отдельного пузыря — сфера, однако несколько пузырей, объединённых вместе, имеют гораздо более сложную форму, формируя пену. Эти вопросы подробнее отражены в статьях en:Weaire-Phelan structure, где обсуждается этот вопрос — теорема Кельвина (en:Kelvin problem), и Закон Платэ (en:Plateau's laws), где обсуждается структура плёнок.

Практическое применение

Игры

Мальчик с игрушкой — пластмассовой «выдувалкой» для пузырей.

Мыльные пузыри в шоу-бизнесе и дизайне

Красота мыльных пузырей подсказывает одно из направлений их применения: в оформлении концертов, праздничных мероприятий, различного рода торжеств. Для такого применения были изобретены специальные машины для генерации постоянного потока мыльных пузырей; этот поток подхватывается мощными вентиляторами и подсвечивается разноцветными прожекторами.

Некоторые артисты используют мыльные пузыри, как основной элемент для своих выступлений; в этом случае они демонстрируют пузыри огромного размера - более метра в диаметре.

Пузыри и народные приметы

Пыль в воздухе нарушает устойчивость плёнки. При повышенной влажности воздуха, в дождливый день, пыли мало, а испарение воды из плёнки снижается, оттого пузыри сохраняют устойчивость намного дольше. Это объясняет народную примету: «пена на лужах — к долгому дождю». На самом деле, эта примета не предсказывает, а скорее иллюстрирует реальность: ведь если дождь идёт долго, то влажность воздуха приближается к 100 %, и пузыри, взбитые каплями дождя, могут очень долго стоять на поверхности луж.

См. также

• Пена

Литература

На русском языке

• Я. Е. Гегузин «Пузыри» — одна из популярных книг советского физика

На английском языке

• Oprea, John (2000). The Mathematics of Soap Films — Explorations with Maple. American Mathematical Society (1st ed.). ISBN 0-8218-2118-0
• Boys, C. V. (1890) Soap-Bubbles and the Forces that Mould Them; (Dover reprint) ISBN 0-486-20542-8. Classic Victorian exposition, based on a series of lectures originally delivered «before a juvenile audience».
• Charles V. Boys Soap-Bubbles. Their colors and the forces which mold them. — Dover Publications, New York 1990, ISBN 0-486-20542-8
• Isenberg, Cyril (1992) The Science of Soap Films and Soap Bubbles ; (Dover) ISBN 0-486-26960-4.
• Cyriel Isenberg The Science of Soap Films and Soap Bubbles. — Tieto Books, Clevedon North Somerset, 1978, ISBN 0-905028-02-3
• Noddy, Tom (1982) «Tom Noddy’s Bubble Magic» Pioneer bubble performer’s explanations created the modern performance art.
• Stein, David (2005) «How to Make Monstrous, Huge, Unbelievably Big Bubbles»; (Klutz) Formerly «The Unbelievable Bubble Book» (1987) it started the giant bubble sport. ISBN-10: 1-57054-257-0 and ISBN-13: 978-1-57054-257-2

Внешние ссылки

• Flash пособие по изготовлению мыльных пузырей в домашних условиях
• Способ делать огромные мыльные пузыри
• Видео: взаимодействие пузырей и капель
• Bubblemagic.com — The pioneer bubble performer, Tom Noddy, presents photos and explains science and how-to
• Дополнительные научные сведения (англ.)