XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Знакомство с мыльными пузырями

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Жданов А.А. 1

---

1БМАОУ «Лицей № 7» им. А.А.Лагуткина

Леонова М.В. 1

---

1БМАОУ «Лицей № 7»

Работа в формате PDF

189.5 KB

Введение

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.

С.Я. Маршак

Одна из самых любимых моих забав с детства – это выдувание мыльных пузырей! Еще не так давно мы со старшим братом взбалтывали мыльную воду и соревновались, у кого пузырь выйдет больше и улетит дальше! Тогда я еще не догадывался о тайнах, которые таит в себе мыльный пузырь.

Посетив шоу «Мыльные пузыри», я удивился, что оно привлекает к себе не только детей, но и взрослых! Это весело, красиво, а главное – пузыри огромные, разной причудливой формы, цветные, быстро не лопаются! Это – волшебство! Я решил разобраться, почему так получается у профессионалов, и попробовать самому приблизить разгадку этой красоты! В этом я вижу актуальность своего проекта.

Исходя из актуальности изучаемого вопроса, я сформулировал цель проекта: используя различные мыльные растворы, опытным путем выявить наиболее эффективные из них, а у полученных мыльных пузырей рассмотреть физические свойства.

Для достижения цели я поставил следующие задачи.

1. Провести контент-анализ литературы по данному вопросу. Разработать алгоритм своих действий исследования;

2. Подобрать необходимые материалы и инструменты для выполнения исследования. Опытным путем подобрать мыльные растворы для получения мыльных пузырей. Изучить строение мыльных пузырей и их физические свойства.

3. Продемонстрировать результат моего исследования на классном часе, тем самым популяризируя важность исследований в природе и технике.

В проекте определены объект и предмет исследования. Объект исследования: мыльные пузыри. Предмет исследования: получение разнообразных составов самодельных растворов для изучения мыльных пузырей и исследование их свойств.

Гипотеза: я предполагаю, что раствор для мыльных пузырей, приготовленный в домашних условиях, не уступает тем, что изготовлены промышленным способом, а качество мыльных пузырей зависит от состава раствора.

Методы исследования:

1. Контент-анализ литературы и материалов сети Интернет по изучаемому вопросу.

2. Моделирование.

3. Анализ. Сравнение. Синтез.

Основная часть

1. Теоретическая часть.

1.1. История мыльного пузыря

Точной даты и имени изобретателя мыльных пузырей история не сохранила. Проведенный мною контент-анализ изученной литературы и интернет-источников показал, что есть археологические и легендарные свидетельства, что это развлечение уходит корнями в глубокую древность. Например, при раскопках древнеримского города Помпеи, засыпанных пеплом Везувия, археологи нашли фрески, на которых дети выдувают мыльные пузыри. Это одно из самых ранних материальных подтверждений.

В китайских папирусах также встречаются рисунки, где люди выдувают прозрачные шары через глиняные трубочки. А на картинах художников 18 века часто встречались изображения детей, выдувающих мыльные пузыри через глиняную соломинку. В 18 и 19 веках дети выдували мыльные пузыри, используя мыльную воду, оставшуюся после стирки.

Таким образом, в разных источниках информации я нашел много легенд и рассказов о появлении мыльных пузырей, которые отличаются друг от друга разными именами героев, но современные исследования об истории возникновения мыльных пузырей сходятся к двум версиям: 1. Изобретение мыла, а потом и пузырей (древние римляне). 2. Один их подданных короля из-за страха к мытью шеи, отказался от этого занятия и был закован в тюрьму. А перед казнью попросил закурить трубку, вместо дыма из нее полетели мыльные пузыри, случайно попавшие в курительную трубку. О казни уже речи не шло: все стали веселиться и наблюдать за поведением мыльных пузырей!

Настоящий бум на мыльные пузыри приключился в 60-х годах прошлого века. Для хиппи – «детей цветов» – мыльные пузыри стали символом мира и гармонии.

1.2. Мыльный пузырь – целая современная наука

Когда видишь, как выдувают мыльные пузыри, кажется, что здесь никакой сноровки не нужно, пока не попробуешь сам. Умение выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство, требующее упражнения. Но стоит ли заниматься таким пустым делом, как выдувание мыльных пузырей?

Как показывает практика – стоит! Мыльный пузырь – это тончайшая мыльная пленка, принимающая разные формы. Мы имеем дело с интереснейшим физическим объектом, изучая свойства которого можем не только развлекаться, но и понимать глубже, как устроен мир, в котором живем. «Выдуйте мыльный пузырь, – писал великий английский ученый Кельвин, – и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».

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.

Википедия подсказывает, что «мыльный пузырь – это тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью».

Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение эластичной пленки. Чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло.

Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. И это уже – математика! Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Итак, я теперь знаю, как устроена пленка мыльного пузыря! А сами мыльные пузыри таят в себе немало интересного – от оптических чудес до научных экспериментов и культурного символизма.

Оптические эффекты. На самом деле мыльные пузыри прозрачны, но переливаются всеми цветами радуги. Это происходит из-за интерференции света: свет отражается от внешней и внутренней поверхности тонкой мыльной плёнки, световые волны накладываются друг на друга. При этом цвет, который мы видим, зависит от толщины плёнки: более толстая «гасит» одни оттенки и усиливает другие. Поскольку толщина плёнки постоянно меняется, мы наблюдаем динамичную и красивую игру цветов.

Ниже я систематизировал физические свойства мыльных пузырей: форма, упругость, размер, замерзание.

Форма. Мыльный пузырь стремится принять форму сферы – это наиболее энергетически выгодная форма, так как поверхность сферы минимальна при заданном объёме.

Упругость. Плёнка пузыря ведёт себя как упругий объект: если слегка коснуться его сухой рукой, он лопнет из-за потери влаги, а если предмет смочен в мыльном растворе, то пройдёт сквозь него без повреждений.

Размер. Он зависит от того, как быстро вы дуете: медленное дуновение даёт большой пузырь, быстрое – множество мелких.

Замерзание. При температуре около –7 °C мыльный пузырь замерзает. При этом он не разбивается вдребезги, как стекло, а становится пластичным: на нём появляются вмятины, а при сильном ударе он может распасться на трубочки.

1.3. Применение мыльных пузырей

Изучая вопрос м мыльных пузырях, я обратил внимание на применение модели «мыльные пузыри» на практике. Оказывается, художники тоже изучают мир мыльных пузырей, как вдохновение на новые работы! Но в большей степени мое внимание приковал технический вопрос использования мыльных пузырей. Знание физики процесса позволяет внедрять в современные технологии! И это, считаю, является перспективой развития моего проекта в дальнейшем! Сейчас же я просто обозначу основные направления применения теории мыльных пузырей на практике.

1. Удаления загрязнений. Механизм строения мыльных пузырей позволяет понять процесс удаления грязи с помощью мыльной воды.

2. В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря – аэростат (воздушный шар) – используется для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий.

3. В архитектуре и конструировании в широком смысле: мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный вид. Архитекторы и конструкторы знают, что натянувшаяся плёнка подскажет им самую экономичную и устойчивую конструкцию покрытия при минимальном расходе материала.

4. Горная промышленность: 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.

5. Биология, медицина. Живые клетки тоже в некоторых процессах сродни мыльным пузырям (палочки и колбочки в сетчатке глаза упакованы по принципу уменьшения площади поверхности; процесс заморозки биологических мембран происходит также, как замораживание мыльного пузыря).

6. Исследование радиоволн и молекулярной оптики. Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.

7. Мыльные пузыри – идеальная модель для изучения турбулентности в газовых оболочках планет,

8. Нефтеперерабатывающая промышленность. Если в уже очищенную нефть добавить воды и поверхностно-активные вещества, то в нефти образуются стабильные «мыльные пузыри», наполненные водой. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.

9. Лопание пузырька идёт на пользу науке. Изучая лопающиеся пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации – образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод.

2. Практическая часть.

2.1. Исследование мыльных растворов и проведение опытов

Проведенный контент-анализ изученной литературы по данному вопросу и знакомство с физическими законами, которые «работают» в мыльных пузырях, я определил необходимые алгоритмы для приготовления мыльных растворов для выдувания пузырей. Ниже представлены основные алгоритмические действия:

1. Состав раствора должен содержать следующие компоненты:

• Вода. Лучше брать дистиллированную или хотя бы кипячёную и отстоянную: в водопроводной воде много солей и примесей, они делают плёнку хрупкой.

• ПАВ (поверхностно-активное вещество). Подойдёт средство для мытья посуды без агрессивных добавок и сильных отдушек либо детский шампунь. ПАВ снижает поверхностное натяжение воды, чтобы плёнка могла растягиваться. (опыт: на поверхности воды – жир, как только капнул ПАВ – жир исчез!

• Глицерин. Это главный «стабилизатор»: он замедляет испарение воды и делает плёнку эластичнее. Обычно добавляют 1-2 столовые ложки на 1 литр раствора.

• Загустители. Кукурузный сироп или сахар дополнительно повышают вязкость и прочность плёнки. Но важно не переборщить: слишком густой раствор плохо образует пузыри.

• Настаивание. После смешивания дайте раствору постоять 12-24 часа: компоненты успевают «поладить» между собой, и пузыри становятся стабильнее.

• Пример простой рабочей пропорции: 800 мл воды + 200 мл средства для посуды + 50 мл глицерина.

2. Условия окружающей среды для выдувания мыльных пузырей

• Влажность. В сухом воздухе пузыри лопаются быстрее из‑за быстрого испарения воды с поверхности мыльной пленки. Оптимально должно быть 60-70% влажности. В жару и при низкой влажности пузыри почти не держатся.

• Температура. Лучше всего 15-25 °C. При сильном холоде раствор густеет, при жаре – слишком быстро сохнет.

• Ветер и сквозняки. Даже лёгкий ветерок рвёт тонкую плёнку. Для больших пузырей нужна безветренная зона.

3. Техника и инструменты, необходимые для выдувания мыльных пузырей.

• Инструмент. Широкие рамки (обручи, кольца) дают большие пузыри. Для «гигантских» пузырей используют две палочки с верёвкой: её окунают в раствор, разводят палочки и тянут – получается широкая плёнка.

• Плавность движений. Окунайте инструмент медленно, без резких движений, чтобы не создавать лишнюю пену. Пенная «шапка» мешает образованию качественных пузырей.

• Выдувание. Дуйте плавно и равномерно. Резкий поток воздуха рвёт плёнку; медленный и стабильный – даёт большой и ровный пузырь.

• Чистота. Руки и инструменты должны быть чистыми, без жира и крема: жир разрушает мыльную плёнку.

4. Дополнительные приёмы, которые необходимо учитывать для выдувания качественных мыльных пузырей.

• Процеживание. Если в растворе есть мелкие частицы или хлопья, процедите его через сито или марлю – так плёнка будет ровнее.

• Хранение. Держите раствор в плотно закрытой ёмкости в прохладном месте. При хранении глицерин может оседать – перед использованием аккуратно перемешайте (не взбалтывайте).

5. Эксперименты. Можно пробовать разные ПАВ и пропорции загустителей: это как подбор параметров в инженерном прототипировании. При проведении экспериментов необходимо вести короткие заметки: что меняли и какой результат получили. При выполнении эксперимента необходимо соблюдать технику безопасности.

Для выдувания мыльных пузырей мною были приготовлены три разных раствора, и в одинаковых условиях через трубочку я выдувал пузыри. По результатам данных опытов, представленных мною в таблице, видно, что самый хороший раствор, при котором пузыри получаются больше по размеру и дольше не лопаются – это раствор №2 с глицерином, то есть глицерин – отличный ингридиент для получения мыльных пузырей и их исследований.

Так как этот образец оказался лучшим, то последующие опыты я решил провести именно с ним.

1 опыт: проверю, лопнет или нет мыльный пузырь, если во внутрь него положить какой-нибудь предмет.

Я надул на столе мыльный пузырь и попытался опустить в него детскую пластмассовую игрушку. Так как игрушка была сухой, пузырь сразу же от прикосновения лопнул. Поэтому, повторяя этот опыт, я предварительно намочил игрушку в этой же мыльной воде. Игрушка прошла через стенки пузыря, а пузырь не лопнул. Аналогичный опыт был проведён с трубочкой для надувания пузырей. От сухой трубочки пузырь лопнул, от смоченной палочки пузырь остался цел.

2 опыт: составление различных фигур с помощью мыльных пузырей.

Мне это тоже удалось. Я составил из пузырей цветок и гусеницу.

3 опыт: в этом опыте я хотел проверить, лопнет ли мыльный пузырь, если его поймать на руку. Если я ловил пузырь сухой рукой, пузырь сразу же лопался, если рука предварительно смочена мыльным раствором, пузырь дольше держится и не лопается.

4 опыт: выдувание пузырей с помощью воронки для воды и бутылки от воды

В это опыте подтвердилось, что чем больше отверстие, с помощью которого выдувается пузырь, тем больше по размеру сам пузырь.

5 опыт: выдувание пузырей с помощью носка, надетого на бутылку

В результате проведённого опыта у меня получилась густая пена, из которой можно построить даже башню.

Проведенные мною простые опыты с мыльными пузырями показали, что

1. Для выдувания пузырей лучше использовать различные трубочки. Чем больше диаметр трубки, тем крупнее получается пузырь.

2. Ловить мыльные пузыри лучше на намыленные руки.

3. Мыльные пузыри необходимо выдувать спокойно, равномерно, иначе, мыльная плёнка быстро рвётся.

4. Выдувая мыльные пузыри, поднимается настроение, хорошо разрабатываются лёгкие. Всё это благотворно влияет на здоровье.

Заключение

Работая над проектом, я узнал много нового. Выполняя проект, я научился моделировать, создавать алгоритмы и создавать различные растворы для выдувания мыльных пузырей. Анализируя результаты опытов, я выбрал наиболее эффективные растворы с добавлением глицерина в необходимых пропорциях, определенных опытным путем: мыльные пузыри получались большими и не лопались дольше остальных.

Работать над темой мне было интересно. Я считаю, что все поставленные в начале исследования задачи, успешно решены, цель достигнута. Я понял, что раствор для мыльных пузырей, приготовленный в домашних условиях, ничуть не уступает готовым магазинным.

Мыльные пузыри действительно таят в себе немало интересного – от оптических чудес до научных экспериментов и культурного символизма. В исследовании этих вопросов и будет заключаться продолжение моего изучения мыльных пленок и их практическое применение в науке и технике, которые я обозначил выше в проекте.

Список использованной литературы и источники в интернете

1. Варламов С. Эксперименты с мыльной пленкой/ С. Варламов// Квант.- №3, 2006г.

2. ВернонБойс Чарльз «Мыльные пузыри», М.: Вузовская книга, 2014г.

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Мыльный пузырь

4. http://www.microarticles.ru/article/natjazhenie-milnogo.html «Поверхностное натяжение мыльного пузыря»

5. http://www.happy-kids.ru/page.php?id=426 «Состав для мыльных пузырей»

6. Учебник физики 10 класс, Л.И. Анциферов, Москва 2002г, гл. 30, «Свойства жидкостей», с. 305.

7. Физика «Справочные материалы», О.Ф. Кабардин, Москва, изд. «Просвещение», 1988г, раздел 2, «Молекулярная физика», с.83.