Личный кабинет

Мыльные пузыри в невесомости


Общие выводы по работе: мной была изучена литература из которой я узнал о цвете, форме, прочности мыльных пузырей, о том из чего состоит стенка пузыря, выяснил для чего нужны мыльные пузыри. Выполненная работа позволяет сделать обоснованные выводы

 

Введение

«Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное

 и самое изысканное явление природы».

Марк Твен

 

 Существование силы поверхностного натяжения объясняет многие интересные явления на Земле, но особый интерес вызывают эти силы в космосе, т.к. там из-за отсутствия силы тяжести она главенствует. Стоит заметить актуальность затронутой мной темы, т.к. человек осваивает новую для себя среду обитания – безграничный космос. Он там будет работать, и жить, вести научные исследования, получать новые материалы, следить за

чистотой и порядком на планете. В ХХI веке начнётся реализация проектов, таких как сооружение на орбите гигантских зеркал, для дополнительно освещения земли солнечным светом, космических станций, для полёта к другим планетам. Поэтому тем, кто  будет трудиться в космосе и тем, кто будет создавать космическую технику надо знать физику невесомости. Но не только им! Все мы в нашем  мире должны быть немного физиками. И уникальные опыты в космосе позволят нам глубже понять законы этой науки. 

 

          Цели и  задачи : - изучение мыльного пузыря как физического тела.

                                          - изучение физических свойств мыльного пузыря;              

 - научиться создавать мыльные пузыри, используя полученные знания;

            -  найти путем эксперимента, что влияет на образование мыльных пузырей;

            -  предложить свои опыты с мыльными пузырями на МКС.

 

         Жидкость для выдувания мыльных пузырей – самая продаваемая игрушка в мире. Ежегодно страстными поклонниками этого развлечения скупается более 200 миллионов пузырьков с этой волшебной жидкостью. Мыльные пузыри из спокон веков всегда радовали глаз. За ними интересно наблюдать. Их цвет завораживает. Каждый из нас в своей жизни пускал мыльные пузыри. Я тоже очень люблю это занятие. И мне стало интересно: Что же такое мыльный пузырь? Как он образуется? Почему он так красив? Чем полезен мыльный пузырь в обычной жизни? Можно ли выдувать мыльные пузыри в невесомости? Если да,  то как они себя поведут в космосе. 

 

Происхождение мыльного пузыря.

 

   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 19 веке выпускали открытки с изображением мальчика пускающего пузыри.

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.

  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. 

 

 

 

Пленка мыльного пузыря (прочность)

 

         Пузырь существует потому, что поверхностное натяжение делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного. Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло которое уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым делая время жизни пузыря еще больше.

 

Форма и объем мыльного пузыря

 

         Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.

 

Цвет мыльного пузыря (интерференция).

 

         Цвет мыльного пузыря можно сравнить с радугой. Я знаю, что радуга это явление разложения света на 7 цветов. Что-то похожее мы наблюдаем, когда надуваем мыльные пузыри. Прочитав литературу, я понял, что окраска мыльного пузыря зависит от толщины пленки. Если толщина достаточная, то мы наблюдаем радужную окраску, а если толщина уменьшается , то будет преобладать фиолетовый цвет, который переходит в черный и пузырь лопается.  Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки. 

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.

Изучив этот материал, мне стало интересно, будет ли мыльный пузырь иметь радужную окраску в космосе, ведь там отсутствует гравитация, а значит, не будет меняться толщина пузыря

 

Структура стенки мыльного пузыря

 

Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной, а другая гидрофобной. Гидрофильная часть привлекается тонким слоем воды, в то время как гидрофобная, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение.

 

Различия в поведении жидкости в космосе и на Земле:

 

На Земле: поведение жидкостей определяется действием силы тяжести. В космосе: жидкостями управляет сила поверхностного натяжения.

На Земле: можно легко разделить капельку жидкость шарообразной формы. В космосе: для этого придется приложить немалые усилия.

На Земле: несмачиваемые жидкости  не смачивают поверхность. В космосе: достаточно небольшого прикосновения несмачиваемой жидкости для того, чтобы смочить поверхность.

На Земле: если встряхнуть бутылку с какой-либо жидкостью, то она(жидкость) вернется в исходное состояние. В космосе: водяные шарики могут вести себя как "упругие мячики", неоднократно отскакивая от той же жидкости, из которой они изготовлены.

 

Замороженный пузырь

 

Редко кто видел замороженный мыльный пузырь. Пускание мыльных пузырей — это забава летнего дня, но если выдувать их на морозе, пузыри быстро замер­зают, сохраняя сферическую форму. Зимой, при температуре воздуха ниже -25 градусов пузыри замерзают на лету. Если пузырь надут теплым воздухом, то замерзает почти в идеальной сферической форме, но охлаждающийся воздух, уменьшаясь в объеме, разрушит отвердевший пузырь.  Пузыри, надутые при такой температуре, всегда будут небольшими, так как они быстро замерзают, и если продолжать их надувать, то они лопнут. Пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при –7°C. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора незначительно увеличивается при охлаждении до 0°C, а при дальнейшем охлаждении ниже 0°C уменьшается и становится равным нулю в момент замерзания. Сферическая пленка не будет сокращаться, несмотря на то, что воздух внутри пузыря сжимается. Теоретически диаметр пузыря должен уменьшаться в процессе охлаждения до 0°C, но на такую малую величину, что практически это изменение определить очень трудно.

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.

    Пузырь,  кристаллизующийся на соломинке, вращается.  Пузырь  вращается в процессе кристаллизации и останавливается, примерзая к трубке. Вращение пузыря, наверное, можно объяснить так. В объеме пузыря из-за разности температур между различными участками его поверхности возникают внутренние воздушные потоки. Воздушная струя встречает поверхность пузыря под каким-то произвольным углом, а это означает, что должна возникнуть сила,, поворачивающая пузырь. И направление потоков, и их расположение в объеме пузыря со временем меняются, а поэтому меняются и скорость, и направление его вращения. 

Я предлагаю провести опыт с медленным охлаждением мыльного пузыря в космосе,  и выяснить при какой температуре он замёрзнет, и будет ли плёнка такой же пластичной. А так же будет ли пузырь, выдуваемый на соломинке, вращаться.

 

Для чего нужны мыльные пузыри?

 

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. Площадь пленок, натянутых на каркас, всегда минимальна, т.к. это соответствует минимуму поверхностной энергии. При проектировке зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчет проверяется с помощью мыльных пленок, которые формируются на этих рамках. Архитекторы и конструкторы знают, что натянувшаяся плёнка подскажет им самую экономичную и устойчивую конструкцию покрытия при минимальном расходе материала.

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. 

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).

Исследователи из Центра радиоволн и молекулярной оптики (Centre de Physique Moleculaire Optique et Hertzienne,) в Бордо (Франция) обнаружили, что вихри, определенным образом созданные в мыльных пузырях, ведут себя аналогично более масштабным атмосферным явлениям, таким как циклоны и ураганы. Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.

 Мыльные пузыри — идеальная модель для изучения турбулентности в газовых оболочках планет. 

Также мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности. Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать. 

 

 

 

Рецепты мыльных пузырей.

 

Самый простой способ — использовать специальную жидкость для мыльных пузырей (которая продается в качестве игрушки) или просто смешать средство для мытья посуды с водой.  Но это не всегда даёт положительный эффект. Лучше сделать самому, что бы быть уверенным в качестве раствора.

Способ №1:

На 1 литр воды берем 200 мл. моющего средства. В этот раствор добавляем 25 мл. глицерина (продается в любой аптеке). Хорошо перемешиваем, стараясь не пенить раствор. И он готов можно выдувать мыльные пузыри.

Способ №2:

Берем 1 литр дистиллированной воды и добавляем 100 мл. моющего средства.

Способ №3:

В 1 литр воды добавляем 75 мл. шампуня, 50 грамм сахара и 2.5 грамма обойного клея. Перемешиваем и оставляем до растворения. 

Способ №4:

На 150 мл воды берем 50 мл любого моющего средства, добавляем 10 грамм сахара. Тщательно перемешиваем до растворения сахара и раствор готов.

Способ №5:

Очень похож на 1 способ, но с разными пропорциями. Берем 600 мл воды, добавляем 200 мл моющего средства и 100 мл глицерина. Смесь готова.

        Это только малая часть всех рецептов мыльных пузырей, но и из них можно выбрать лучший.

        То, насколько просто будет делать пузыри, зависит от множества разных факторов. Разное мыло, разные условия окружающей среды, например, лучше избегать пыльного воздуха или ветра. Также, чем больше влажность воздуха, тем лучше (так вода из пузыря медленнее испаряется), а значит лучше делать пузыри в дождливый день.

       Другими словами, наилучший способ найти идеальное решение — это метод проб и ошибок. 

 

 Практическая часть

 

Я поставил себе задачу найти экспериментальным путем наилучший состав раствора для получения:

1)  самых больших по объему, 

2) количеству мыльных пузырей,

3) наиболее прочных (время жизни дольше), 

4) наиболее красивых (толще стенки) пузырей,

5) посмотреть как «ведут» себя мыльные пузыри при столкновении с различными поверхностями, могут ли они электризоваться, 

6) посмотреть, как изменяются свойства мыльных пузырей при добавлении в раствор различных добавок (клея, сахара, акварельных красок)

7) мне бы хотелось, чтобы мои опыты были повторены на  МКС, потому что я могу только предполагать, что произойдёт с мыльными пузырями в невесомости. А так хочется знать наверняка…

 

Опыт №1

На 1 литр воды (дистиллированной, фильтрованной, водопроводной) добавлял 200 мл моющего средства (поочередно средство для мытья посуды, стиральный порошок, хозяйственное мыло, жидкое мыло, шампунь для взрослых). Визуально определял объем мыльных пузырей (маленький –диаметр до 5 см, средний- диаметр от 6 до 8 см, и большой- диаметр от 9 см и более).

Количество мыльных пузырей определял путем подсчета (мало- до 5 пузырей, и много более 5 пузырей).

Время жизни мыльных пузырей определял путем замера времени на секундомере (время измерял в секундах).

Цвет мыльного пузыря определял визуально (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, бесцветный, радужный). 

Вывод: Объем мыльных пузырей при использовании средства для посуды был средним, маленькое количество мыльных пузырей, продолжительность жизни пузырей в среднем 12 секунд, цвет ближе к золотистому. При использовании стирального порошка объем пузырей был маленьким, количество тоже было маленьким, средняя продолжительность жизни составляла 6 секунд, цвет сине-зеленый. Позже я использовал хозяйственное мыло. В основном объем пузырей был средним, количество маленьким, среднее время жизни 3 секунды, цвет сине-розовый. Когда я использовал жидкое мыло объем пузырей большой, количество маленькое, время жизни 5 секунд, цвет отсутствовал, пузырь был прозрачным. Объем пузырей при использовании шампуня был средним, количество большим, продолжительность жизни 12 секунд, разнообразие цвета при использовании шампуня было самым большим.

По объему мыльные пузыри больше всего получились из жидкого мыла. По количеству больше пузырей было при использовании шампуни. Время жизни и радужная окраска эти свойства проявились также при использовании шампуни и дистиллированной воды. 

Опыт №2

          Добавлял на 1 литр воды (дистиллированной, фильтрованной, водопроводной) и 200 мл моющего средства (поочередно средство для мытья посуды, стиральный порошок, хозяйственное мыло, жидкое мыло, шампунь для взрослых) - глицерин. Визуально определял объем мыльных пузырей (маленький –диаметр до 5 см, средний- диаметр от 6 до 8 см, и большой- диаметр от 9 см и более).

Количество мыльных пузырей определял путем подсчета (мало- до 5 пузырей, и много более 5 пузырей).

Время жизни мыльных пузырей определял путем замера времени на секундомере (время измерял в секундах).

Цвет мыльного пузыря определял визуально (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, бесцветный, радужный).

Вывод: После первого эксперимента, я стал добавлять в раствор глицерин. При использовании средства для посуды, объем уменьшился, количество осталось прежним, время жизни увеличилось до 13 секунд, цвет тоже изменился, он стал ближе к зелено-розовому. Объем при использовании стирального порошка был средним, количество маленьким, среднее время 10 секунд, цвет золотисто-синий. Когда я использовал хозяйственное мыло, объем остался средним, количество также маленьким, время жизни увеличилось до 5 секунд, а цвет ближе к голубому. При использовании жидкого мыла, объем стал маленьким, количество большим, средняя продолжительность жизни пузыря 14 секунд, а цвет стал алым. Позже я стал использовать шампунь. Объем был средним, количество маленьким, время жизни 20 секунд, а цвет оставался радужным.

         Лучше всего себя показал при добавлении глицерина раствор шампуня. Цвет пузырей был радужным, что говорит о более прочной пленке, время жизни пузырей самое большое 20 секунд. Большое количество пузырей наблюдалось в растворе с водопроводной водой с добавлением хозяйственного мыла.

Если на Земле на долговечность мыльных пузырей влияют различные добавки, как 

 они будут влиять на них в космосе.

Опыт №3

Мыльные пузыри хорошо электризуются. Я наблюдал за поведением пузыря в электрическом поле, созданном наэлектризованной палочкой или наэлектри­зованным куском пенопласта. Пузырь в какой-то мо­мент отрывается от своей трубочки и резко устремляет­ся по направлению к источнику электрического поля. При соприкосновении с палочкой он либо лопается, либо оседает на ней, но в виде полусферы.

 Визуально наблюдал взаимодействие мыльных пузырей с различными поверхностями (шерстяной ковер, линолеум, стекло). 

 Вывод: Лучшее взаимодействие пузыря и шерстяного ковра. Предлагаю провести опыт на МКС с электризацией мыльных пузырей и посмотреть, как поведёт себя пузырь при соприкосновении с наэлектризованной палочкой.

Опыт №4

         Замерял объем, время жизни, количество мыльных пузырей в воздухе (брал средние значения) и в углекислом газе. Для получения углекислого газа взял 3-х литровую банку, установил внутрь горящую свечу, закрыл сверху пластиковой крышкой, в которой сделал отверстие. 

Вывод: свеча горела в банке пока внутри находился кислород, далее она потухла, значит, скопился углекислый газ, который не поддерживает горение. Через отверстие в крышке надувал мыльные пузыри и заметил, что он завис , и быстро лопнул. Это объясняется тем, что углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому он выталкивал пузырь, как вода выталкивает мяч. В воздухе пузыри живут лучше. Тут и объем средний, и время жизни больше, в отличие от углекислого газа.

 Опыт №5

            На 1 литр дистиллированной воды брал 200 мл моющего средства (жидкого мыла, т.к. из него при предыдущих опытах получались самые большие пузыри) далее этот раствор оставил на 24 часа, после чего снова измерила объем, количество, время жизни. Цвет мыльных пузырей.

Вывод: После того так они постояли 24 часа, время жизни пузырей увеличилось. И лучше всего себя показала дистиллированная вода.

 Опыт №6

Брал 1 литр водопроводной воды, 200 мл моющего средства, добавлял 25 мл глицерина и добавлял обойный клей и сахар

Вывод: Об этом способе приготовления мыльного раствора я прочитал в интернете, но он меня разочаровал. Зачем в мыльные пузыри добавлять сахар и обойный клей?  Раствор    становится густой и более плотный и пузыри не надуваются.

Опыт №7

Брал водопроводную воду, 75 мл моющего средства и 50 мл глицерина. Надувал мыльные пузыри при помощи рук, специальной палочки для надувания мыльных пузырей и шершавой проволоки. 

Чем больше диаметр трубки или рамки, тем крупнее получается пузырь. 

Результат:

1. Руки - 11с

2. Палочка для надувания пузырей - 13с

3. Проволока -  15с

 Опыт №8

Я решил сделать цветные мыльные  пузыри, добавляя в раствор красную акварельную краску.

Вывод: пузыри оставались прозрачными, краска под действием силы тяжести стекала на дно мыльного пузыря, а после того, как они лопались, следы краски оставались на полу, руках, столе. Я подумал, а может в космосе, где отсутствует гравитация, мыльные пузыри можно выдуть цветными? На свой вопрос я нашёл ответ в интернете:  «Поскольку виновата в этом именно гравитация, японская девочка предположила, что в невесомости пузырь будет прокрашиваться равномерно. А её мама  это дело проверила и опытным путем выяснила, что в Космосе даже мыльные пузыри ведут себя не так, как на Земле. Она смешала мыльную воду с красным соком, и космический мыльный пузырь действительно получился равномерно красным». Но что если мыльный раствор делать не на основе воды, а цветной жидкости, как тогда поведёт себя мыльный пузырь?

 

Общие выводы по работе:

 

               В соответствии с поставленной целью и задачами, мной была изучена литература из которой я  узнал о цвете, форме, прочности мыльных пузырей, о том из чего состоит стенка пузыря, выяснил для чего нужны мыльные пузыри.

              Выполненная работа позволяет сделать обоснованные выводы о том, что качественные мыльные пузыри появляются не только при соединении мыла и воды, но также и глицерина.  

  После опытов, я пришёл к выводу, что лучшими компонентами для создания домашних мыльных пузырей являются:

  1. Дистиллированная вода
  2. Глицерин
  3. Шампунь для взрослых.
  4. Сахар и обойный клей не помогают, они только делают жидкость более густой.
  5. Раствор мыльных пузырей, простояв сутки, не портится, а пузыри из такого раствора становятся более долговечными.
  6. Пузыри нельзя раскрасить, добавив акварельную краску
  7. Пузыри электризуются.

А так же мне хочется  узнать:

  1. Будет  ли мыльный пузырь иметь радужную окраску в космосе, ведь там отсутствует гравитация, а значит, не будет меняться толщина мыльной плёнки пузыря
  2. Я предлагаю провести опыт с медленным охлаждением мыльного пузыря в 

космосе и выяснить при какой температуре он замёрзнет.

  1. Будет  ли плёнка такой же пластичной, как на Земле.
  2.   Будет  ли пузырь, выдуваемый на соломинке вращаться в условиях  невесомости. 
  3. Если на Земле на долговечность мыльных пузырей влияют различные добавки, как  они будут влиять на них в космосе.
  4. Предлагаю провести опыт на МКС с электризацией мыльных пузырей и посмотреть, как поведёт себя пузырь при соприкосновении с наэлектризованной палочкой.
  5. Можно ли в космосе, где отсутствует гравитация, мыльные пузыри  выдуть цветными? И что если мыльный раствор делать не на основе воды, а цветной жидкости, как тогда поведёт себя мыльный пузырь?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

  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. “Известия науки”, портал http://www.inauka.ru ,редакция газеты "Известия", 2002 
  5. Перельман Я. “Занимательная физика”, Москва, 1967г.
  6. Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б. «Физика 11»
  7. Пузыри на морозе. “Наука и жизнь”, №2,1982.
  8. Шварц А., Перри Дж., Берн Д ж., Поверхностно-активные вещества и моющие средства, М., 1960 
  9. Лущекина О.Б., школа № 307, г. Москва “Шоу мыльных пузырей, или куда может завести работа над проектом”, газета “Физика”, №22 2004г. 

                                      Интернет - ресурсы:

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

http://www.jtan.com/antibubble/; http://www.eskimo.com/~billb/amateur/antibub/antibub1.html 

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

http://www.afizika.ru/skorost

 

 

 

Добавлено: 27.09.2015
Рейтинг: 8.1958333333333
Комментарии:
0
footer logo © Образ–Центр, 2021. 12+