Исследование свойств мыльных пленок

Легко ли выдувать мыльные пузыри? Многие думают, что не стоит заниматься таким пустым делом. Совсем иначе смотрели на это дело известные физики: Кельвин, Ньютон, Бойс, Дьар. Великий английский учёный лорд Кельвин писал: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».

Действительно, радужные переливы красок на поверхности тончайших мыльных плёнок дают физику возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных плёнок помогает изучать законы действия сил между частицами и другие законы и явления.

Плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооружённому зрению. Не редко говорят: «Тонкий как волос». Но, оказывается, это очень грубое выражение по сравнению с толщиной мыльной плёнки. Чтобы разрез стенки мыльного пузыря усматривался в виде тонкой линии, волос при таком же увеличении в 40000 раз будет иметь толщину свыше 2 метров.

Я задался целью изучить свойства мыльных пузырей и пленок, физические явления, происходящие с ними, а также найти практическое применение. Я изучил литературу на эту тему. Сделал много экспериментов: одни опыты были просто занимательными, а другие стали иллюстрацией некоторых физических законов.

ОПЫТЫ С МЫЛЬНЫМИ ПУЗЫРЯМИ И ПЛЁНКАМИ.

ПОДГОТОВКА МАТЕРИАЛОВ.

Чтобы эти опыты были удачными, необходим хороший раствор, для его приготовления берётся мыло. Его разводят в холодной дистиллированной воде (можно в дождевой или снеговой) до получения довольно чистого раствора. Добавляют глицерин (одна треть по объёму), а затем с поверхности раствора удаляют пену и пузыри. Но у меня лучше получались пузыри, если вместо мыла добавлял в воду шампунь и разводил его глицерином.

Для выдувания применяют соломинки, а также пластмассовые трубочки. Можно пользоваться и тонкими стеклянными трубками, если на конец трубки надеть пробковое кольцо. На соломенных или пластмассовых трубках очень хорошо сделать на одном конце трубочки два надреза и, отогнув концы, получить крестик.

Окунув конец трубки с крестиком в мыльную воду и, вынув её из воды, осторожно дую в неё с другого конца. На нижнем конце трубки будет возникать прозрачный шар – мыльный пузырь. Производить опыты нужно медленно, осторожно. Оказывается, в этом деле тоже нужна сноровка и некоторый опыт.

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ОПЫТЫ.

Мыльный пузырь вокруг игрушки.

На стеклянную поверхность я налил мыльный раствор слоем 1-2мм; в середину положил игрушку и накрыл воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дул в её узкую трубочку, - образуется мыльный пузырь. Когда он достигает достаточных размеров, наклонял воротку, высвобождая из-под неё пузырь. Так игрушка оказывается лежащей под прозрачным колпаком из мыльной плёнки

Можно игрушку увенчать мыльным пузырьком, не забывая предварительно смазать её мыльным раствором. Для этого, когда большой пузырь уже выдут, надо проткнуть его и выдуть внутри маленький - на игрушке.

Несколько пузырей друг в друге.

Из воронки, как и в предыдущем случае, выдул большой мыльный пузырь. Затем мыльную соломинку просовывал осторожно через стенку первого пузыря до центра. Выдувал второй пузырь, заключённый в первом, в нём – третий, четвёртый и т. д. . У меня получалось да пяти пузырей друг в друге.

Прочная мыльная плёнка.

Расположил проволочное кольцо с мыльной плёнкой горизонтально и в центр направил тонкую непрерывную струю воды, которая, проходя через плёнку, не разрушает её.

Смоченный в мыльном растворе стальной шарик, пролетая через плёнку, также оставляет её целой.

Обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне правильны: при надлежащем обращении удаётся сохранить мыльный пузырь очень долго. Английский физик Дьюар хранил мыльные пузыри в особых бутылках, хорошо защищёнными от пыли, высыхания и сотрясения воздуха; при таких условиях ему удавалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Есть сведения, что под стеклянным колпаком мыльный пузырь может сохранятся годами.

Мыльный пузырь на морозе.

Я приготовил мыльный раствор и вышел на мороз. На морозе выдул мыльный пузырь. Мыльная плёнка покрывалась ледяными иголочками – кристалликами льда. Из этих иголочек вырастали ледяные фигурки.

ОПЫТЫ, ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ.

Радуга на мыльном пузыре.

Я внимательно рассматривал мыльный пузырь через увеличительное стекло и обратил внимание на отражение света в мыльной плёнке и на спектральные цвета. Если опустить конец трубки в тарелку с мыльной водой и дуть в трубку, чтобы образовалась мыльная пена, то можно через увеличительное стекло наблюдать на вершинах пузырей цветные кольца.

Похожая картина получается в следующем опыте. Поместил на край стакана предварительно смоченный глицерином большой пузырь. На расстоянии от него установил свечу, а с другой стороны бумажный экран. На экране отчётливо видно цветные кольца Ньютона, которые перемещаются сверху вниз.

Чтобы эти наблюдения были более удачными, я последовал совету Ньютона. Он писал о своих наблюдениях: «Чтобы помешать окружающему воздуху колебать эти пузыри, вследствие чего их цвета смещаются и перемешиваются так, что всякое точное наблюдение становится невозможным, я, выдувая пузырь, тотчас покрывал его чистым стаканом, и благодаря этой предосторожности цвета оказались расположенными весьма правильно, в виде концентрических колец, окружающих вершину пузыря».

Линза из мыльной плёнки.

Взяв проволочное кольцо, я опустил на него мыльный пузырь. Получилась двояковыпуклая мыльная линза. Но через такую необыкновенную линзу окружающие предметы просматриваются без всяких изменений: нет ни увеличения, ни уменьшения, ни ослабления видимости.

Дело в том, что мыльные линзы, по существу, - воздушные, так как между тончайшими сферическими мыльными плёнками находится воздух. Световые лучи, проходящие через такую линзу, практически не преломляются.

Послушные пузыри.

Выдул мыльный пузырь, оторвал его от конца трубки и сразу же начал быстро двигаться назад – сначала прямо, затем отклоняясь, то вправо, то влево. Пузырь всё время следовал за мной. Причём, чем меньше пузырь, тем послушней.

Такое поведение пузыря связано с тем, что при моём резком движении между мной и пузырём создаётся область пониженного давления воздуха – сюда и устремляется мыльный пузырь.

Пленка внутри стакана.

Можно получить мыльную плёнку не на поверхности стакана, а внутри него. Я знаю три способа.

1. Частично заполнить стакан с водой. Взять полоску бумаги и, смочить её мыльным раствором, провести по краю стакана – он затянется плёнкой. Чтобы плёнка вошла внутрь, надо наклонить стакан и сквозь плёнку выльется часть воды. Сколько выльется воды по высоте, настолько и опустится плёнка.

2. В стакан налить немного воды и нагреть её до кипения с помощью свечи. Отодвинув нагреватель, затянуть отверстие мыльной плёнкой. Через некоторое время постепенно опустится вовнутрь стакана.

Объясняется это тем, что водяные пары при охлаждении превращаются в жидкость. Под плёнкой создаётся разряжение, куда и стремится плёнка. Чтобы этот процесс происходил быстрее, можно охлаждать стакан проточной водой.

3. Затянуть плёнкой край стакана. Смоченной в растворе трубкой проткнуть его. Вытягивать ртом воздух через трубку. Разряженное пространство под трубкой позволит плёнке устремится вниз.

Постоянная форма пузыря.

Я выдул на конце узкой трубочки мыльный пузырь. Залепил пластилином её отверстие. Закрепил горизонтально трубку. С помощью медицинского шприца или другой трубочки я накачивал или выкачивал воздух из пузыря. При этом форма его не менялась, подтверждая закон Паскаля.

Реакция мыльного пузыря на температуру.

Когда я выносил надутый пузырь из тёплого помещения на мороз, его размеры постепенно сокращались. Если наоборот вносил с улицы в комнату – мыльный пузырь увеличивался, так как воздух внутри него расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.

Стремление плёнки занять наименьшую площадь.

Если, выдув пузырь, вынуть трубку изо рта, то он будет заметно уменьшаться в объёме. Это происходит потому, что жидкая плёнка, стремясь сократится, уменьшает площадь своей поверхности. Если, вынув трубку изо рта, зажать открытый конец трубки пальцем, то пузырь уменьшаться не будет, так как этому помешает запертый внутри пузыря воздух.

Более наглядно это можно увидеть, если направить трубку открытым концом на пламя свечи. Пламя заметно уклонится в сторону. Так можно убедится, что сила тончайших мыльных плёнок не так уж ничтожна.

Опыты с каркасами.

Рамку, изготовленную из проволоки, погрузил в мыльный раствор и вынул. Она оказалась затянутой плёнкой. Бросил на неё нитяную петельку. Форма петли станет неправильная. Если же спичкой проткнуть плёнку внутри петельки, то внешняя часть плёнки, стремясь сократиться, растянет нитку в окружность . Так как окружность охватывает самую большую площадь при данном периметре, то уцелевшая часть плёнки будет иметь наименьшую площадь, чем при любой другой форме петли.

Похожий результат получится, если к проволочному кольцу по диаметру привязать кусочек нити и опустить его в мыльный раствор. Когда на каркасе, затянутым плёнкой, проткнёшь одну её часть, оставшаяся половинка плёнки сократится и натянет нить по дуге. Если снова опустить проволочное кольцо в мыльную воду и, вынув, проткнуть плёнку по другую сторону нити, то оставшееся часть плёнки также сократится и натянет нить в противоположную сторону .

Я проделал опыты и с другими проволочными каркасами. Сделал на П-образной проволоке подвижную часть из более тонкой и лёгкой проволочки. Опустил каркас в мыльную воду и вынул, держа его за выступ. Он затянулся мыльной плёнкой. Когда я отпустил нижний выступ, плёнка сократилась и подтянула подвижную проволочку вверх .

Цилиндр из мыльной пленки получается между двумя проволочными кольцами. Для этого на нижнее кольцо я опустил обыкновенный шарообразный пузырь, затем сверху к пузырю приложил смоченное второе кольцо и, поднимая его вверх, растянул пузырь. И чем больше я разводил кольца, тем более вогнутыми становились стенки цилиндра .

Так же я опускал в мыльную воду и остальные каркасы и наблюдал интересные формы и фигуры образовавшихся плёнок.

Эти опыты наглядно показывают, что поверхностный слой жидкости стремится сократиться, т. е. Уменьшить площадь своей поверхности.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

Кроме иллюстрации законов физики я думаю можно применить изученные свойства мыльных плёнок и в архитектуре.

Для разработки и внедрения в практику строительства лёгких конструкций, одним из методов моделирования таких конструкций может быть с мыльными плёнками.

Именно мыльные плёнки очень часто образуют поверхности самой причудливой формы и при этом с наименьшей площадью. Поэтому моделирование на мыльных плёнках можно использовать на первой стадии проектирования конструкций сложных форм. Такие композиции отличают оригинальность формы, лёгкость, вызывающая у зрителя ощущение невесомости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе своего исследования я пришёл к выводу, что выдувание пузырей порой не пустая забава, а хороший способ изучения физических законов и явлений:

➢ Законы действия сил между частицами;

➢ Интерференция света;

➢ Закон преломления света;

➢ Атмосферное давление;

➢ Закон Паскаля;

➢ Движение молекул и температура.

Кроме этого мыльные плёнки – хороший способ моделирования архитектурных конструкций.