V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Волшебство мыльных пузырей
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Летящие по воздуху, переливающиеся всеми цветами радуги прозрачные шары идеально круглой формой. Что это? Конечно, мыльные пузыри. Каждый из нас пускал их не раз. Эта забава известна с давних времён и привлекает как детей, так и взрослых. Во время раскопок известного города Помпеи археологи обратили своё внимание на изображённых на фресках древних жителей города, надувающих мыльные пузыри. В Китае сохранились старинные изображения на бумаге, где люди через палочки надувают шарики. Не менее популярна эта забава и в наши дни высоких технологий.
На первый взгляд, кажется, что тема не актуальна и не имеет применения в современной жизни. Можно смело возразить, заметив, что, саморазвитие никогда не потеряет своей актуальности, во-вторых - выбранная тема упрощает понимание сложных законов физики. Кроме этого, возможности по применению мыльных пузырей оказались необычайно велики, особенно в индустрии развлечений. Сегодня люди умеют рисовать мыльными пузырями, а клоуны и аниматоры нередко их используют в своих программах. Я тоже не равнодушна к мыльным пузырям. И мне стало интересно: Что такое мыльный пузырь? Как он образуется? Какие пузыри бывают? Какие эксперименты можно проделывать с мыльными пузырями? И наверное главный вопрос который возник у меня, а можно ли в домашних условиях приготовить раствор для таких мыльных пузырей.
Гипотеза: я считаю, что можно приготовить самостоятельно в домашних условиях раствор мыльных пузырей.
Цель исследования: выяснить, из какого раствора для мыльных пузырей получаются самые прочные и крупные мыльные пузыри.
Задачи:
• Проанализировать научную литературу по изучаемой теме.
• Узнать секреты мыльного пузыря.
• Исследовать свойства мыльных пузырей, полученных из разных растворов.
• Сделать выводы.
Объект исследования: мыльные пузыри.
Предмет исследования: растворы мыльных пузырей.
Методы исследования:
• Анализ научной литературы по данному вопросу.
• Наблюдение за мыльными пузырями из различных растворов.
• Эксперимент.
Вещества и оборудование:
мыльные пузыри (из магазина)
бальзам для мытья посуды (Prill)
гель для душа (Palmolive)
хозяйственное мыло
глицерин
сахар
всевозможные мерные ёмкости, линейка, секундомер
трубочка для выдувания
вода
Глава 1 : Что из себя представляет мыльный пузырь?
Мыльный пузырь – тонкая плёнка мыльной воды, которая формирует сферу с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно недолговечны, существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно1.
Существует несколько версий возникновения мыльных пузырей.
Некоторые историки придерживаются мнения, что мыло изобрели римляне. Римский учёный и политик Плиний Старший утверждал, что своим знакомством с моющими средствами человечество обязано диким галльским племенам, с которыми римляне «познакомились ближе» на рубеже нашей эры. По свидетельству историка, галлы делали из сала и золы какую-то чудодейственную мазь, которая при добавлении воды образовывала густую пену, позволяющую чисто мыть волосы. Они же придумали популярное ныне развлечение - мыльные пузыри.
Все восхищаются мыльными пузырями, особенно - их идеально круглой формой, переливающейся разными красками поверхностью и способностью долго парить в воздухе. Каждому из нас доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и выдувать их. Так всё же почему мыльный пузырь круглый? Ответ на этот вопрос заключается в том, что силы поверхностного натяжения стремятся придать мыльному пузырю максимально компактную форму.
Каждый день мы ощущаем, такие силы, как тяготение, упругость и трение. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует ещё одна сила, на которую мы не обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и называется силой поверхностного натяжения. Примером её проявления является удар рукой по поверхности воды: неприятные ощущения и, возможно, покраснение руки.
Попробуем разобраться в возникновении силы поверхностного натяжения.
В пограничном слое - жидкость-газ - молекулы жидкости находятся во взаимодействии с молекулами водяного пара. Среднее значение равнодействующей молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле М1, которая находится внутри жидкости, близко к нулю.
Случайные флуктуации (отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц) этой равнодействующей заставляют молекулу М1 совершать хаотическое движение внутри жидкости.
В поверхностном слое жидкости дело с молекулами обстоит иначе. Молекула М2, находится на границе раздела фаз (вода-газ). Если вокруг неё описать сферу молекулярного действия, то внутри сферы окажутся центры многих других молекул, взаимодействующих с молекулойМ2. Радиус такой сферы составляет примерно 10-9 м. Рис. № 1 (Приложение № 4).
Для молекулы М2 в нижней полусфере окажется много молекул, а в верхней – значительно меньше, так как снизу находится жидкость, а сверху – пар или воздух.
Поэтому для молекулы М2 равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере. Силы, действующие в верхней полусфере так малы, что ими можно пренебречь.
Рассмотрим ещё одну молекулу М3, которая немного больше «утоплена» в жидкость, чем М2, но также находится в поверхностном слое. Поскольку в верней полусфере М3 будут находиться другие молекулы жидкости, то они будут притягивать М3 к себе и частично уравновешивать силы притяжения молекул, находящихся в нижней полусфере М3.
В результате общая равнодействующая сил, действующих на М3 окажется меньше общей равнодействующей М2.
Обе равнодействующие будут направлены внутрь жидкости перпендикулярно к её поверхности.
Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости.
Так как, пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поверхностный слой создаёт давление на жидкость, которое называют молекулярным давлением.
Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, втягиваются внутрь неё, то жидкость переходит в состояние, при котором площадь её свободной поверхности имеет наименьшую величину.
Например, капля дождя или тумана в воздухе приобретают форму шара. Водные пузыри в сильный дождь можно увидеть на лужах или наблюдать на кухне при кипении воды (бульон).
Сила поверхностного натяжения характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения – величиной, описывающей зависимость работы молекулярных сил, идущих на изменение площади свободной поверхности жидкости и самой площади изменения этой поверхности.
σ = A/ΔS
σ - коэффициент поверхностного натяжения;
А – работа молекулярных сил по изменению площади поверхности жидкости;
ΔS - изменение площади поверхности жидкости.2
Таким образом, молекулярные силы, направленные вдоль поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию на её поверхности по нормали к этой линии, сокращая площадь поверхности.
Это можно показать на следующем опыте.
На проволочном кольце укрепляется нитка длиной L.
Если затянуть проволочное кольцо мыльной плёнкой, то нить свободно расположится на ней, приняв случайную форму (рис. А). При разрушении плёнки нагретой иглой по одну сторону от нити, нить натянется, приняв форму дуги окружности (рис. В), так как молекулярные силы сократят поверхность, ограниченную верхней частью контура и ниткой. Рис. № 2 (Приложение № 4).
Натяжение нити произошло под действием силы поверхностного натяжения со стороны сокращающейся плёнки, силы, приложенной к нити, которая в данном случае является линией раздела. Сила эта во всех точках перпендикулярна к нити. Эта сила действовала на нить и до разрушения плёнки, но при этом на неё действовали одинаковые с обеих сторон силы. После же прорыва одной части плёнки другая получила возможность уменьшить свою площадь и, как показывает форма натянувшейся нити, площадь эта стала минимальной.
Оптимальная форма отдельного мыльного пузыря - это сфера, так как сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Из-за сил поверхностного натяжения мыльный пузырь всегда стремится минимизировать площадь поверхности. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако, если оставить пузырь плавать в воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
В природе часто можно наблюдать радужное окрашивание тонких плёнок (масляные плёнки на воде, мыльные пузыри, оксидные плёнки на металлах), возникающее в результате интерференции световых волн, отражённого двумя поверхностями плёнки.
Интерференция присуща волнам любой природы. Интерференцией света называют перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. В физике когерентностью называется согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Рассмотрим интерференцию световых волн в тонкой плёнке. Под тонкой плёнкой будем понимать такой прозрачный слой, толщина которого сравнима с длиной световой волны (390-770 нм).
Пусть на плоскопараллельную прозрачную плёнку с показателем преломления n (физическая величина, равная отношению скоростей света в двух средах) и толщиной h под углом α падает плоская монохроматическая волна (рассмотрим один луч). На поверхности плёнки в точке О луч разделится на два: частично отразится от верхней поверхности плёнки, а частично преломится. Преломлённый луч, дойдя до точки С, частично преломится в воздух (n0 = 1), а частично отразится и пойдёт к точке В. Здесь он опять частично отразится и преломится, выходя в воздух под углом α. Вышедшие из плёнки лучи 1 и 2 когерентны. Если на их пути поставить собирающую линзу, то они сойдутся в одной из точек Р фокальной плоскости линзы. В результате возникает интерференционная картина, которая определяется оптической разностью хода между интерферирующими лучами. Рис. № 3 (Приложение № 4) .
Если в разности хода светового луча укладывается целое число длин волн, то наблюдается максимум интерференции и именно в этих местах на мыльном пузыре появляется яркая цветная интерференционная картина. Так как мыльная вода в пузыре под действием силы тяжести стекает вниз, при этом толщина плёнки изменяется, следовательно, и цветная интерференционная картина тоже перемещается по поверхности мыльного пузыря.
Интерференция, как известно, наблюдается, только если удвоенная толщина плёнки меньше длины падающей волны. Вот почему при плохом освещении или довольно толстой поверхностной плёнки мыльного пузыря интерференция не наблюдается и мыльный пузырь тогда не является цветным.
При прохождении белого света через тонкую плёнку мы видим разноцветную картину, так как белый свет является сложным, состоящим из семи основных цветов. Рис. № 4 (Приложение № 4).
Пузырь меняет цвет, «переливается» из-за того, что плёнка становится тоньше при испарении воды. 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 пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В результате, стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе, и мы перестаём видеть отражение (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря становится меньше 25 нм (25*10-9 м), значит, пузырь скоро лопнет.
Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз».
«Когда будете наблюдать за мыльными пузырями в следующий раз, вспомните, что видите не сам пузырь, а красивейшие световые эффекты в нём, ведь сам пузырь теоретически увидеть невозможно! Если только у вас нет микроскопа с увеличением в 40000 раз…» (Перельман)
Мыльный пузырь кажется нам разноцветным и радужным из-за физического явления - интерференции. Солнечные лучи преломляются и переливаются разными цветами радуги в зависимости от длины световых волн, угла преломления (шар постоянно движется) и толщины стенок пузыря.
Глава 2
2.1 Изготовление растворов для мыльных пузырей
Самый простой способ выдувать радужные пузыри - использовать специальную жидкость для мыльных пузырей, которую можно приобрести в магазине. Но она быстро заканчивается, а рецептура раствора умещается во фразах «специальный мыльный раствор» или «в состав входят высококачественные безвредные компоненты». Поэтому, я решил изготовить растворы для мыльных пузырей самостоятельно, изучив приведённые составы растворов, встречающиеся в Интернете.
Известно, что пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для устойчивости его состояния необходимо использовать жидкость с небольшим коэффициентом поверхностного натяжения.
В таблице представлены некоторые значения σ для различных веществ: Приложение ( 1 ).
Анализ таблицы показывает, что коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора примерно в два раза меньше коэффициента поверхностного натяжения чистой воды, так как в мыле содержатся поверхностно-активные вещества (ПАВ). Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность - способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз.
Это можно подтвердить на опыте. Кораблик, изготовленный из пластика, неподвижен в стоячей воде. Для изменения его состояния достаточно добавить в воду каплю мыльного раствора. Кораблик начинает быстро набирать скорость. Чем выше поверхностная активность водных растворов мыла (ПАВ), тем больше они понижают натяжение в поверхностном слое.
2.2 Составы растворов мыльных пузырей
В своей работе я использовала 4 раствора для мыльных пузырей:
Состав №1:100 гр. любого средства для мытья посуды (концентрат Prill – бальзам для мытья посуды), 300 мл воды, 50 мл глицерина.
Состав №2: 50 мл обычного геля для душа, 50 мл воды, 1/2 чайной ложки сахара.
Состав №3: 4 столовых ложки стружки из хозяйственного мыла, 400 г горячей воды (лучше сделать это на огне). Дать постоять, добавить 2 чайной ложки сахара.
Состав №4: готовый мыльный раствор (купленный в магазине).3
2.3 Экспериментальная часть
Этап 1. Подготовительный
Для исследования растворов понадобились следующие вещества и оборудование:мыльные пузыри (из магазина), бальзам для мытья посуды (Prill), гель для душа,хозяйственное мыло,глицерин, сахар, всевозможные мерные ёмкости, трубочка для выдувания, вода, линейка, секундомер.
Этап 2. Приготовление растворов для мыльных пузырей
Составы рецептов растворов мыльных пузырей полностью соблюдены. Приложение (3).
Этап 3. Тестирование растворов различных составов мыльных пузырей
Тестирование мыльных пузырей из полученных растворов проводилось по следующим параметрам: время жизни мыльного пузыря в С-секундах(max) и (min); средний размер - см; максимальный размер- см; Из 10 запланированных получилось - N из них маленьких - n. Смотреть таблицу тестирования составов мыльных пузырей Приложение (2).
Результат: Согласно, экспериментальным данным, наилучший состав имеет образец № 1. Следует отметить, мыльные пузыри, полученные из него, имели ярко-выраженную окраску, кроме этого совершали вращение при выдувании и даже отпрыгивали от пола. Остальные составы показали средние результаты, из них самые низкие – состав №3.
Таким образом, главным компонентом раствора мыльных пузырей, является мыло и моющие средства в сочетании с дополнительными веществами: вода, глицерин, сахар.
Вода для раствора должна быть мягкая лучше, дистиллированная. Тяжёлая вода из-за минерального содержания - причина хрупких пузырей, которые недолговечны.
Заслуживает внимание процесс выдувания пузырей:
- следует избегать пузырьков или пены на поверхности смеси, аккуратно их убирая или дождаться, когда они исчезнут;
- держать смесь открытой в течении нескольких часов, так как её плотность увеличится, что приведёт к сложности выдувания:
- опасаться пыльного воздуха или ветра.
- лучше пускать мыльные пузыри в дождливый день при повышенной влажности воздуха.
- большое значение имеет материал и форма трубочки или кольца для выдувания пузырей. Кольцо используется для создания множества относительно маленьких пузырей. Трубочка для создания одного большого пузыря.
Заключение
Известно, что английский физик-экспериментатор Чарлз Вернон Бойз (1855-1944) был так заинтригован мыльными пузырями, что написал 200-страничную книгу: «Мыльные пузыри. Их цвет и силы, придающие им форму». Бойз назвал мыльные пузыри «великолепным экспериментальным объектом». Я полностью поддерживаю Ч.В. Бойза.
В ходе работы я постаралась ответить на все поставленные вопросы. Из дополнительных источников и рассказов подчеркнула много нового и интересного, расширила свои знания по «Молекулярной физике», «Оптике».
Моя гипотеза подтвердилась. Получение мыльного раствора для мыльных пузырей в домашних условиях – вполне осуществимое и интереснейшее занятие. Практическая ценность моего исследования заключается в том, что я узнала, как сделать «яркие, прочные, крупные» мыльные пузыри своими руками.
Следует отметить ещё один положительный момент: выдувая мыльные пузыри, поднимается настроение, забываются все проблемы и, хорошо разрабатываются лёгкие. Всё это благотворно влияет на здоровье.
Библиографический список
Мыльный пузырь. Материал из Википедии. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Мыльный_пузырь
Справочник школьника. Физика (Т.Фещенко, В.Вожегова)Компания «Ключ-С», 1996-576 с.
Николаева Е. Рецепты мыльных пузырей. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://bubblesmile.narod.ru/recept.htm
Григорьева Е.А. Пушкин, физика и мы. Викторина. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2014/03/26/ pushkin-fizika-i-my-viktorina
Занимательная-физика. Режим доступа: http://www.afizika.ru/skorost/
Приложение 1
Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей
|
Жидкость |
Поверхностное натяжение, Н/м2 |
|
Вода |
0,0725 |
|
Раствор мыла в воде |
0,040 |
|
Спирт |
0,022 |
|
Эфир |
0,017 |
|
Ртуть |
0,470 |
Приложение 2
Таблица тестирования составов мыльных пузырей.
|
Время жизни мыльного пузыря, с(max) |
Время жизни мыльного пузыря, с (min) |
Средний размер, см |
Максимальный размер, см |
Из 10 получилось- N |
Из них маленьких -n |
|
|
Состав №1 |
86 |
6 |
9 |
13 |
10 |
3 |
|
Состав №2 |
11 |
4 |
6 |
10 |
8 |
5 |
|
Состав №3 |
8 |
3 |
2 |
6 |
5 |
5 |
|
Состав №4 |
9 |
6 |
6-7 |
8 |
7 |
3 |
Приложение 3
Рабочие моменты исследования
Приложение 4
рис №1 рис №2
рис №3 рис №4
1 Мыльный пузырь. Материал из Википедии. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Мыльный_пузырь
2 Справочник школьника. Физика (Т.Фещенко, В.Вожегова)Компания «Ключ-С», 1996-576 с.
3 Николаева Е. Рецепты мыльных пузырей. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://bubblesmile.narod.ru/recept.htm