Наука, скептицизм та гумор
Зробіть мильну бульбашку і подивіться на неї: навіть якщо ви все своє життя присвятите її вивченню, ви не перестанете черпати з неї нові вчення фізики.
У дитинстві вона любила дути мильні бульбашки, споглядаючи красу його кольорів, крихкість. Зараз, завдяки науці, яку вони містять, вони здаються мені ще красивішими.
У цьому дописі я запрошую вас поділитися зі мною цим новим виглядом.
Визначення
Мильна бульбашка * - надзвичайно тонка плівка мильної води, яка охоплює певну кількість повітря, утворюючи порожнисту сферу, поверхня якої райдужна.
Надзвичайна тонкість стінки помпи, а також нестабільність її структури, на якій я зупинюсь пізніше, означають, що в звичайних умовах її існування коротке, протягом декількох секунд, або шляхом мимовільного поломки, або через контакт з якимось предметом. Однак можна отримати бульбашки, які при правильній обробці зберігаються місяцями і навіть роками.
Дуже подібними властивостями володіють мильні плівки, які не закривають повітря або будь-який газ і складаються з надтонких листів, край яких підтримується дротами або іншими належним чином формованими середовищами, залежно від форми листа, який потрібно отримати.
З давніх часів мильні бульбашки були грайливим, простим у виготовленні та недорогим елементом, який дуже приваблює своїм надзвичайним кольором; навіть момент перерви пропонує певний ефект.
Неважко знайти посилання на "бульбашки" в мистецтві як у живописі, так і в літературі, натякаючи на їх легкість, красу, крихкість і швидкоплинність. Так пише Антоніо Мачадо:
Я ніколи не гнався за славою,
ні залишити в пам'яті
з чоловіків моя пісня;
Я люблю тонкі світи,
невагомий і ніжний,
як мильна піна.
А Роберто Гойєнече (Ель Полако) має серед своїх хітів танго «Помпа де мило» на музику Роберто Гойенеше та слова Енріке Кадікамо
Ви досягаєте успіху, тому що навряд чи є
втомлений м’ясний ембріон
і чому ваш сміх
це солодка модуляція.
Коли невблаганний, роки,
вони вводять вам свою гіркоту ...
ти побачиш, що твої божевільні речі
це були мильні бульбашки.
Структура
"Шкіра" міхура складається з тонкого шару води, що потрапляє між двома шарами молекул ПАР, часто мила. Щоб зрозуміти явища, що дозволяють утворити цю структуру, нам доведеться поговорити про поверхнево-активні речовини та фізичний феномен, що з’являється на вільній поверхні рідин, який відомий як поверхневий натяг.
Молекули, що утворюють речовину, що перебуває в стані спокою, рідку або тверду, притягуються одна до одної завдяки силам зчеплення, які не дають тілам перетворюватися на дуже дрібний пил або крихітні краплі рідини, як туман. Когезія є внутрішньою властивістю кожної речовини, яка залежить від форми і структури її молекул і обумовлена зміною орбіт найвіддаленіших електронів, коли вони наближаються досить близько, що створює притягання електричної природи, що підтримує структуру матеріалу.
Поверхневий натяг є наслідком міжмолекулярної сили когезії.
Рисунок 02: Поверхневий натяг, спричинений силою зчеплення
Уявіть собі молекулу рідини, яка занурена і оточена численними однаковими молекулами. Ви відчуєте привабливу силу всіх інших, які оточують вас у всіх напрямках, і, отже, результуюча буде дорівнювати нулю, тобто ви не сприймете жодної сили. З іншого боку, той, хто знаходиться на поверхні, отримує лише сили, які тягнуть його до центру та боків (сила, яку чинять молекули повітря, абсолютно незначна через їх низьку щільність), тому очевидно, що буде результуюча сітка, спрямована до центру. За цих умов рідина завжди намагається витягти поверхневі молекули і спрямувати їх до центру і надати прикордонній поверхні форму, що містить найменшу кількість можливих молекул. Рідина прагне мінімізувати свою поверхню, і це явище є тим, що ми знаємо як поверхневий натяг.
Іншими словами, для даного об’єму рідини, вільної для конфігурації її поверхні, форма, яку вона приймає, відповідає формі мінімальної площі. За відсутності сили тяжіння форма, яка мінімізує поверхню, є сферичною. Іншими словами, поверхня приймає стан мінімальної енергії для даного об’єму.
Поки що ми мали справу з рідинами загалом, але у випадку з мильними бульбашками рідина - це вода, як правило, з невеликою часткою якоїсь іншої речовини, роль якої буде пояснено далі. Ну, виявляється, що у випадку води сила зчеплення - і, отже, її поверхневий натяг - надзвичайно висока через її сильно полярний характер.
Малюнок 03: Біполярний характер молекули води
Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню, а атоми, в свою чергу, складаються з позитивного ядра, навколо якого рухається хмара електронів. Кисень має вищу електронегативність, ніж водень, тобто в поєднанні з воднем він має більшу здатність притягувати до себе електрони.
Отже, електронна хмара рухатиметься до атома кисню, який утворює негативний полюс у цій частині та позитивний полюс на стороні водню. Отже, хоча у всьому світі молекула є нейтральною, локально, на дуже коротких відстанях, вона діє як диполь, так само, як поводився б магніт, замінюючи магнітні полюси електричними.
Малюнок 04: Взаємодія між молекулами води
Молекули води притягують одна одну електростатично - це відоме як водневий зв'язок - через їх біполярну природу, і це дозволяє поверхні рідини діяти як пружна мембрана.
Тому здається, що у нас є рідина, придатна для продування бульбашок або укладання водяних мембран без серйозних проблем. Але якщо ми робимо тест, результат абсолютно розчаровує, бульбашки негайно лопаються. Це пов’язано з кількома причинами, але найважливішими є дія сили тяжіння, притягання між самими молекулами води та випаровування.
Малюнок 05: Розріз міхура, що показує вплив сили тяжіння
Як показано на розрізі насоса, зображеному на малюнку 05, дія сили тяжіння штовхає воду вниз, внаслідок чого нижня частина насоса стає товщі верхньої частини. Це явище прогресує з часом і триває доти, доки надзвичайна тонкість верхньої стінки не спричинить її розрив.
Але це не єдиний ефект витончення стіни вгорі. Ми вже бачили, що молекули води притягують одна одну завдяки своїй полярній природі, так що коли плівка досить тонка, між двома гранями плівки з’являється сила притягання, яка виганяє вміщені між ними молекули води. Цей ефект додає силі тяжіння і прискорює розрив у завершальній фазі.
Найпростішим рішенням є розчинення у воді певної кількості поверхнево-активної речовини, наприклад, мила. Результатом є, у будь-якому випадку, зменшення поверхневого натягу до третини початкового значення чистої води.
Я хочу зазначити, що під час наступного пояснення я згадаю мило, оскільки воно є найдавнішою та найбільш вживаною в історії речовиною, але інші речовини, що належать до групи, що називається ПАР, мають подібні, якщо не кращі властивості та результати.
Повертаючись до мила, ми скажемо, що це сіль, як правило, натрій або калій, ліпідів рослинного походження (олія) або тваринного походження (жир). Молекула мила, як поверхнево-активної речовини, має особливість змішуватися з водою та жирами або оліями, хоча вони не змішуються між собою. Молекулярна структура мила складається з гідрофільної полярної частини (голови) та гідрофобного неполярного хвоста (зазвичай органічного ланцюга з 12 до 18 атомів вуглецю). Тобто голова притягує воду, тоді як хвіст відштовхує її.
Малюнок 06: Молекулярна структура мила
У мильній воді мило має тенденцію концентруватися на поверхні суміші, оскільки неполярна частина молекули не змішується з водою і буде виштовхуватися. Отже, неполярний хвіст буде орієнтований в радіальному напрямку, подалі від поверхні.
Рисунок 07: Спрощена структура помпи та шлях променів світла
На малюнку показано концентрацію мила на внутрішній і зовнішній поверхнях бульбашки, а також траєкторію світлового променя, що вражає його, про що буде сказано далі. Деякі молекули мила були опущені для ясності.
Плівка мильної води також зазнає витончення верхньої частини за рахунок гравітаційного ефекту, але в тонких областях виникає електростатичне відштовхування через негативні заряди полярних головок, які можуть навіть компенсувати гравітаційну дію та вищезазначене раніше. Таким чином, додавання мила коригує або, принаймні, полегшує вказані перші дві причини руйнування.
Рисунок 08: Розріз вертикальної стінки, що показує гравітаційний ефект та електростатичне відштовхування
Молекули мила, розташовані на поверхні, змістять молекули води у напрямку до центру рідинної мембрани, отже, поверхневий натяг зменшиться, чим більша присутність молекул води. Коли на поверхні більше не вміщуються молекули мила, вони проникають у рідину, утворюючи невеликі групи, які називаються міцелами.
Різниця в поверхневому натягу в різних регіонах міхура через порушення місцевого розподілу води/мила змушує мило перерозподілятись, зменшуючи ці відмінності. Ось як мило стабілізує помпезність, і це явище, яке називають ефектом Марангоні, - це те, що дозволяє помпезності набухати, не руйнуючи її, тимчасово уникаючи наслідків вищезазначених дій. Крім того, покриваючи поверхню міхура, мило, яке не є летким, уповільнює втрати води через випаровування.
Як цікавість, скажіть, що, як кажуть, любитель мильних бульбашок Ейфелевий штукатур встиг зробити його останнім більше року! Ми всі стикалися з труднощами, які це спричиняє, і саме для того, щоб отримати такі довговічні бульбашки, потрібен спеціальний «рецепт» для кількості води та поверхнево-активної речовини, що утворюють його. На жаль, Ейфель завжди зберігав свою таємницю.
На цьому етапі, з більш повним уявленням про структуру помпи, ми можемо завершити її визначення:
Мильну бульбашку можна розглядати як надзвичайно тонкий аркуш води, затиснутий між двома шарами молекул мила. Повітря, що міститься в насосі, додає тиск зсередини, який компенсується атмосферним тиском зовні, до якого додається тиск, який чинить сама плівка, викликаний поверхневим натягом. Як наслідок зазначеного поверхневого натягу, поверхня насоса за відсутності зовнішніх сил приймає сферичну форму, яка відповідає стану нижньої поверхневої енергії (мінімальне співвідношення поверхні/об'єму).
Барвисті
Красиві, яскраві та мінливі кольори, які пропонують нам мильні бульбашки, не пов’язані з будь-якими барвниками, ефективність яких була б практично нульовою через надзвичайну тонкість стіни, а є наслідком «сендвіч» -розміщення плівок з мильною водою -мило, і обумовлені явищем, відомим як інтерференція. Рідина, яка використовується для продування бульбашок, майже не має жодного кольору, і в будь-якому випадку це не має значення.
Повернемося до фігури 07 і спостерігатимемо шлях світлового променя. Випромінюваний джерелом, він потрапляє у зовнішній шар мила, де частково відбивається, потрапляючи в око спостерігача, а частково заломлюється і проходить крізь шар води, досягаючи внутрішньої поверхні. Там, знаходячи внутрішній шар мила, він знову ділиться, і одна частина заломлюється і втрачається спостерігачем, а інша відбивається, знову проходить через середній шар води і, нарешті, заломлюється на зовнішній поверхні мила-повітря і направляє спостерігача вздовж шляху, паралельного шляху первинного відбитого променя.
Рисунок 09: Послідовні траєкторії променів
На малюнку 09 показано збільшення області, що нас цікавить. У ньому ми можемо оцінити, як падаючий промінь розкладається, заломлення за законом Снелла та послідовні дзеркальні відбиття другого та вищого порядку. Насправді, дивлячись на бульбашку, оцінюється лише первинний відбитий промінь OB і вторинний промінь Постійного струму. Послідовні промені не видно через інтенсивне послаблення, яке виникає при подальших відбиттях і заломленнях.
Очевидно, що промінь, відбитий від внутрішньої поверхні, проходить більшу відстань, ніж промінь, відбитий безпосередньо від зовнішньої поверхні, різниця полягає в тому, що між довжинами оптичних шляхів ЕО Y OFD. Беручи до уваги показник заломлення повітря (n1 = 1) та мильного розчину (nдва = 1,4), різниця довжин ∆l становить:
Крім того, згідно із законом Снелла:
підставивши EO, OF та FD їх виразами як функцією кутів та товщини і з помпезності отримується вираз типу:
Іншими словами, найбільша довжина, яку проходить вторинний промінь, є функцією:
- Кут падіння променя світла,
- Товщина плівки і
- Показники заломлення (у випадку повітря як середовища, n1= 1 і може змінюватися лише n2 різною концентрацією мила в різних частинах плівки).
З цими трьома змінними кількість значень, яку може прийняти різниця у подорожах, є величезною. Подивимось тепер, як походять кольори помпи і чому вони змінюються.
Два промені ОВ і постійного струму паралельні і дуже близькі, так що, потрапляючи в точку (на нашу сітківку) і рекомбінуючись, вони виробляють відоме явище інтерференції між хвилями. Коли два промені втручаються в синхронізацію, так що їх вершини та долини (строго кажучи, слід сказати максимуми та мінімуми) більш-менш точно збігаються, їх амплітуди складаються і результуючий підсилюється. У разі повної синхронізації промені називаються фазовими, і отримана максимальна амплітуда є сумою окремих максимальних амплітуд. У цьому випадку ми говоримо про конструктивне втручання. Відстань між двома послідовними хребтами або долинами називається довжиною хвилі, вона представлена грецькою буквою λ і це фундаментальна характеристика будь-якої хвилі.
Рисунок 10: Конструктивні перешкоди
Якщо, навпаки, максимуми та мінімуми стикаються один з одним, амплітуда результуючої є різницею, яка в крайньому випадку сумарної опозиції (у фазовій опозиції) може навіть скасувати об'єднаний сигнал. Це так звані деструктивні перешкоди, проілюстровані на малюнку 11.
Рисунок 11: Частково руйнівні перешкоди
Таким чином, якщо хвилі знаходяться у фазі, сигнал посилюється, а якщо вони в опозиції, він послаблюється або скасовується. Неважко помітити, що синхронізація відбувається, коли довжини хвиль збігаються, а різниця шляху ∆l має довжину, рівну нулю, або ціле число довжин хвиль (N λ). Скасування відбувається, коли різниця шляхів становить половину цілого числа довжин хвиль (N λ/2).
∆l = N λ + λ/2 = (N + 1) λ/2 -> Умова конструктивних перешкод
Таким чином, райдужність, тобто послідовність красивих і сугестивних кольорів з часом обумовлена зміною параметрів, що визначають шлях променів:
У цій публікації я лише розробив частину всієї науки, що міститься в мильній бульбашці. Сподіваюся, це послужило для того, щоб показати вам, що глибше знання чогось, розуміння того, що відбувається, робить це ще більш захоплюючим.
* Спочатку в статті використовувались терміни помпезність і міхур як синоніми, оскільки останні - це те, як мильні бульбашки відомі в Еквадорі, Перу, Мексиці, Аргентині, Чилі, Уругваї та інших країнах Латинської Америки. Але після коментаря Клауді Манса, щоб він не призвів до помилок, я вирішив уніфікувати все за допомогою помпи.
Бібліографія
Уокер, Дж., «Майстерня та лабораторія», Дослідження та наука, № 28, листопад 1978 р., С. 156-162