ТАЙНЫ МЫЛЬНЫХ ПУЗЫРЕЙ

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

ТАЙНЫ МЫЛЬНЫХ ПУЗЫРЕЙ

Нелюбина В.А. 1
1
Нелюбина Е.Г. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Оглавление

Введение 3

1. Теоретическая часть 5

1.1. Происхождение мыльных пузырей 5

1.2. Теоретические аспекты изучения мыльных пузырей 6

1.3. Сферическая форма мыльных пузырей 8

1.4. Оптика мыльного пузыря 9

1.5. Свойства мыльных пузырей на морозе. 12

2. Практическая часть 15

2.1. Методика приготовления мыльных пузырей 15

2.2. Эксперимент 16

Выводы 18

Библиографический список 19

Приложение 1. 20

Приложение 2. 22

Приложение 3. 24

Приложение 4. 25

Введение

«Мыльный пузырь, пожалуй,

самое восхитительное и самое

изысканное явление природы».

Марк Твен

Актуальность.

Я очень люблю пускать мыльные пузыри. Мне нравится любоваться их круглой формой и переливающейся разными красками поверхностью. Мне всегда хотелось, чтобы у меня получился пузырь не похожий на шар, чтобы форма его напоминала форму куба или голову какого-нибудь животного. Но, к сожалению, мыльные пузыри у меня получались всегда только круглые.

Почему же мыльные пузыри имеют круглую форму, как шарики? Быть может, если использовать для надувания пузыря определенные каркасы то, получится пузырь другой формы? А можно ли в домашних условиях приготовить раствор для выдувания пузырей? Почему они так легко разрушаются? Рассмотрим проблему получения круглых мыльных пузырей.

Изготовление и изучение мыльных пузырей позволяет продемонстрировать, «прочувствовать» множество физических законов, которые имеют важнейшее значение в науке и технике.

Исходя из описанных противоречий мы обозначили объект, предмет и цель нашего исследования.

Объект исследования: мыльные пузыри.

Предмет исследования: форма, состав и свойства мыльных пузырей.

Я выдвинула следующую гипотезу: используя разные каркасы, можно приготовить мыльные пузыри некруглой формы.

Цель моего исследования: выявить свойства мыльных пузырей и способы их приготовления.

Поставленную цель я достигну, решая задачи:

  1. собрать информацию о приготовлении, свойствах и форме мыльных пузырей;

  2. приготовить раствор для изготовления мыльных пузырей в домашних условиях и получить из него мыльные пузыри;

  3. проанализировать теоретические и практические результаты получения мыльных пузырей, их свойств и формы.

Этапы исследования:

  • собрать информацию о форме и свойствах мыльных пузырей (спросить у родителей, прочитать в книге, найти в Интернете);

  • купить каркасы разной геометрической формы для выдувания пузырей;

  • приготовить раствор для мыльных пузырей;

  • определить какой раствор для приготовления пузырей самый лучший;

  • попытаться выдуть пузыри разной геометрической формы;

  • сравнить теоретический и практический результат изготовления мыльных пузырей;

  • разработать рекомендации по приготовлению мыльных пузырей в домашних условиях.

Методы и приемы: наблюдение, эксперимент, анализ.

  1. Теоретическая часть
    1. Происхождение мыльных пузырей

День рождения мыльного пузыря и по сей день остаётся загадкой. Но доподлинно известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев выдувающих мыльные пузыри. Видимо, у них были свои секреты производства мыла.

В Средних веках изображение ангела, пускающего пузыри, помещали на надгробья и добавляли надпись: «От этого никто не уйдёт». Этим, по-видимому, хотели сказать, что жизнь хрупка, как мыльный пузырь.

В 19 веке выпускали открытки с изображением мальчика пускающего пузыри.

Суетные развлечения молодого человека, пускающего мыльные пузыри.

Автор картины Жан Батист Шарден, живший во Франции в XVIII веке.

Мыльные пузыри были не только детской забавой, но и объектом для размышлений философов о смысле жизни. Не просто красивым явлением природы, но и интересовали серьёзных учёных. Чарльз Бойс сто лет назад опубликовал фундаментальный труд «Мыльные пузыри», который по сей день является как детской забавной книжкой, так и настольным пособием для физиков-теоретиков и экспериментаторов.

Дети, пускающие мыльные пузыри. Автор картины А. М. Иванов.

Не позднее 1839.

Таким образом, мыльные пузыри радовали детей и взрослых ещё во времена древней Помпеи. Интересовали философов, художников, учёных на протяжении веков, не оставляя равнодушных и в 21 веке.

  1.  
    1. Теоретические аспекты изучения мыльных пузырей

Мыльный пузырь — это тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью.

Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема строения пленки мыльного пузыря.

А и С – слой молекул мыла; В – слой молекул воды

Эти слои состоят из достаточно сложных молекул - русалок - одна часть, которых является гидрофильной (любит контактировать с водой), а другая гидрофобной (избегают подобного контакта, «боятся» воды).

Гидрофильная часть представляет собой разделённые электрические заряды, обладающие дипольным моментом. Она привлекается тонким слоем воды. В то время как гидрофобная – представляющая собой «хвост» из углеродной цепочки длиной 2,5 нм, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение (рисунок 2).

Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют поверхностно-активные вещества, например, мыло и глицерин.

Рисунок 2. Схема строения молекул имеющих гидрофильные и гидрофобные части.

Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза: от 7 ∙10-2 до 3∙10-2 Дж/м2.

Когда мыльная пленка растягивается, из её объёма на поверхность будут выходить оставшиеся молекулы мыла, достраивая частокол. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. Когда же все молекулы поверхностно активного вещества выйдут из объёма плёнки, её дальнейшее растяжение приведёт к разрушению пузыря. Плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооружённому зрению.

  1.  
    1. Сферическая форма мыльных пузырей

Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Мыльные пузыри являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, только в 2000 году было доказано, что два объединенных пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря.

Сферическая форма может быть существенно искажена потоками воздуха и, тем самым, самим процессом надувания пузыря.

Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической. Геометрия мыльных пузырей до сих пор озадачивает математиков.

С точки зрения физики, пузырь сферический лишь в том случае, если сила тяжести не вынуждает перемещаться жидкость в объёме плёнки пузыря, и, следовательно, не приводит к тому, что плёнка внизу оказывается толще, чем вверху, и форма искажается.

  1.  
    1. Оптика мыльного пузыря

Горит, как хвост павлиний.

Каких цветов в нем нет!

Лиловый, красный, синий,

Зеленый, желтый цвет.

Взлетает шар надутый,

Прозрачнее стекла.

Внутри его как будто

Сверкают зеркала.

Огнями на просторе

Играет легкий шар,

То в нем синеет море,

То в нем горит пожар.

С. Я. Маршак «Мыльные пузыри»

Один из величайших физиков Томас Юнг, который своими исследованиями обосновал волновые представления о свете и, в частности, о природе явлений интерференции, о цветах тонких плёнок.

Удивительно - пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги. Посмотрим, почему это происходит.

Окраска мыльных пузырей объясняется интерференцией волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки. Ход лучей в тонких пленках изображен на рисунке 4.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Рисунок 4. Интерференция световых лучей на поверхности мыльного пузыря.

Мы выяснили, как появляется окраска мыльных пузырей, но почему же одни имеют радужную окраску, а другие – нет?

Сомненье, вера, пыл живых страстей

Игра воздушных мыльных пузырей:

Тот радугой блеснул, а этот - серый

И разлетятся все

Вот жизнь людей.

Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска.

Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о чёрных полосках и пятнах в его окраске. Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте. Если толщина плёнки очень мала по сравнению с длиной волны, то лучи будут гасить друг друга. А это означает, что возникает чёрная окраска плёнки.

Итак, мыльные пузыри приобретают радужную окрасу благодаря явлению интерференции световых волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки.

1.5. Свойства мыльных пузырей на морозе.

Пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при –7°C. Пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Если дать возможность мыльному закристаллизовавшемуся пузырю упасть на пол, он не разобьется, не превратится в звенящие осколки, как стеклянный шарик, каким украшают елку. На нем появятся вмятины, отдельные обломки закрутятся в трубочки. Пленка оказывается не хрупкой, она обнаруживает пластичность. Пластичность пленки оказывается следствием малости ее толщины.

При выдувании пузырей на сильном морозе –20°C ,–25°C сразу же в разных точках поверхности возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются и, наконец, сливаются в единую картину, по красоте, не уступающей морозным рисункам на окне.

  1.  

    1. Применение мыльных пузырей

Ранее рассмотренный механизм строения мыльных пузырей позволяет понять процесс удаления грязи с помощью мыльной воды. Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к гидрофобному концу.

В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря — аэростат (воздушный шар) — используется для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий. В оболочке мыльного пузыря находится горячий воздух, который (как известно) обладает меньшей плотностью, чем холодный и собственно, поэтому пузырь способен подниматься вверх. По такому же принципу взлетает в небо аэростат.

Мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный, казалось бы, вид. Этим свойством широко пользуются архитекторы и конструкторы.

В горной промышленности с помощью пузырьков, но воздушных, проводят флотацию: процесс обогащения горных руд. Пузырьки в растворе обволакивают частички руды и поднимают её на поверхность, а пустая порода остаётся на дне.

Также мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности. Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать. Для эффективной переработки нефти российские ученые предлагают использовать мицеллы - по сути, мыльные пузыри. Эти и другие исследования ПАВ поддерживаются российскими и международными грантами. Ученые московского Института химической физики РАН одни из первых выяснили, что если в уже очищенную нефть добавить воды и поверхностно-активные вещества, то в нефти образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой. Оказалось, что в этих пузырьках, которые ученые назвали "мицеллами", могут происходить различные химические реакции. Ученые сконструировали такие "микрореакторы" для окислительной переработки углеводородного сырья. Так называемое жидкофазное окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.

Вот ведь, оказывается, какой он удивительный, простой пузырь, и сколько принёс людям пользы!

  1. Практическая часть
    1. Методика приготовления мыльных пузырей

Рецептура приготовления

На самом деле, рецепт приготовления мыльных пузырей с использованием жидких моющих средств, мыла и воды очень прост. Вода должна быть мягкая или, еще лучше, дистиллированная.

Какое моющее средство применить? Любое, хозяйственное мыло, всевозможные сорта туалетного мыла, шампуни и т.д.

Для пузырей­ долгожителей рекомендуется добавление в получившийся раствор 1/3 обьёма чистого глицерина. Как долго живёт пузырь, зависит от того, как долго он будет оставаться влажным. Глицерин отлично замедляет время высыхания. Так же действует и водный раствор сахара с желатином.

Пропорции растворения мыла сильно зависят от вашей местности и текущего времени года, так как такие факторы, как температурный режим, влажность воздуха и подобные — сильно влияют на качество пузырей. Средний диапазон — 10 частей воды к одной части мыла. Пропорции глицерина добавляют от 1/5 до 1/3 частей по отношению к объёму мыльной смеси, либо 1/4 части раствора сахара с желатином.

Рекомендуемая смесь для очень больших пузырей — 2 части мыла, 4 части глицерина и 1 часть сиропа, разведённые в 8 частях воды.

Инструментыдля выдувания

Простейшая проволочная петля. Берёте отрезок тонкого но жесткого провода и формируете на одном из его концов петлю приблизительно 4 см. в диаметре. Для использования, окунаете петлю в раствор и мягко дуете.

Коктейльные соломки дают неплохой результат. Эффект будет лучше, если сделать на одном из концов 4 коротких разреза (примерно 3см) и развести их в разные стороны, как ромашку.

Воронка кухонная для переливания жидкостей.

  1.  
    1. Эксперимент

Мы с мамой и папой дома проделали следующие опыты:

Опыт 1. Приготовление раствора для изготовления мыльных пузырей.

В два стакана налили по 100 мл воды, добавили в каждый стакан по 30 мл глицерина. Затем в первый стакан добавили 10 мл моющего средства «Фейри», а во второй стакан 10 мл детского шампуня. Содержимое стаканов перемешали фарфоровой ложечкой. Из приготовленной жидкости выдували пузыри.

Наблюдения: выдувать мыльные пузыри лучше получается из раствора содержащего моющие средство «Фейри» (приложение 1).

Опыт 2. Формирование пузырей с помощью разных инструментов и изучение их окраски.

Из жидкости, приготовленной в опыте 1, мы попытались выдуть пузыри разной формы с помощью коктейльной трубочки, воронки и специальных каркасов разной геометрической формы для выдувания пузырей, купленных в магазине. Мы внимательно смотрели на окраску пузырей

Наблюдения: выдуваемые мыльные пузыри имеют только круглую, сферическую форму. Сначала все пузыри были прозрачные, а при попадании на них лучей света они становились разноцветными (приложение 2).

Опыт 3. Мыльный пузырь вокруг предмета.

В тарелку мы налили мыльного раствора настолько, чтобы дно тарелки было покрыто слоем в 2-3 мм, в середину положили игрушку-смурфика и накрыли воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дули в её узкую трубочку, когда же этот пузырь достигал достаточных размеров, наклоняли воронку в сторону, высвобождая из-под неё пузырь.

Наблюдения: маленькая игрушка оказывалась внутри мыльного пузыря (приложение 3). Было очень красиво.

Опыт 4. Воздух вытесняется стенками мыльного пузыря.

Мы зажгли свечу. Используя воронку из предыдущего опыта, мы надули пузырь и направили воронку к пламени свечи.

Наблюдения: пламя свечи заметно уклонилось в сторону (приложение 4).

Опыт 5. Кристаллизация мыльных пузырей.

Мы вышли на балкон, там температура воздуха была -10 градусов. Мы выдували пузыри на холоде.

Наблюдения: мыльные пузыри у нас не кристаллизовались, хотя в литературе мы нашли утверждение, что они кристаллизуются при температуре -7 градусов.

Выводы

В ходе своего исследования я сформулировала следующие выводы:

1. Мыльный пузырь при надувании может быть только круглой формы, так как силы поверхностного натяжения стремятся придать мыльному пузырю форму шара.

2. Мыльные пузыри из бесцветной жидкости, освещенные белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги за счет явления интерференцией световых волн.

3. Лучше всего для приготовления мыльных пузырей в домашних условиях использовать моющие средство «Фейри».

4. Плёнка мыльного пузыря всё время находится в натяжении и давит на заключённый в ней воздух, так что сила тончайших пленок не так уж ничтожна.

5. Можно выдувать мыльные пузыри вокруг предметов. Это очень интересно.

Библиографический список

  1. Блинов Л. Молекулы-русалки // «Наука и жизнь», № 4, - 1989.

  2. Гегузин Я.Е. Пузыри - М.: Наука, 1985.

  3. Гигантские мыльные пузыри. Устройство для выдувания мыльных пузырей патент РФ № 2139119

  4. Перельман Я. «Занимательная физика», Москва, 1967г.

  5. Пузыри на морозе // «Наука и жизнь», № 2, - 1982.

  6. Шварц А., Перри Дж., Берн Д ж., Поверхностно-активные вещества и моющие средства - М., 1960

  7. Лущекина О.Б. Шоу мыльных пузырей, или куда может завести работа над проектом // газета «Физика», № 22, - 2004г.

Интернет - ресурсы:

  1. http://demonstrator.narod.ru/experiments/bubble.html

  2. http://www.jtan.com/antibubble/;

  3. http://www.eskimo.com/~billb/amateur/antibub/antibub1.html

  4. http://demonstrator.narod.ru/experiments/bubble.html

  5. http://www.afizika.ru/skorost

Приложение 1.

Опыт 1. Приготовление раствора для изготовления мыльных пузырей.

Отмеряем и наливаем воду

Добавляем глицерин

Приливаем моющие средства и шампунь

Все перемешиваем

Выдуваем пузыри

Приложение 2.

Опыт 2. Формирование пузырей с помощью разных инструментов и изучение их окраски.

А они все равно круглые и разноцветные.

А они все равно круглые и разноцветные.

Приложение 3.

Опыт 3. Мыльный пузырь вокруг предмета.

Приложение 4.

Опыт 4. Воздух вытесняется стенками мыльного пузыря.

Пламя свечи отклоняется.

Просмотров работы: 5493