Мыльный пузырь
Мыльный пузырь (обычно называемый просто пузырем ) представляет собой чрезвычайно тонкую пленку мыла и воды , или моющего средства содержащую воздух, которая образует полую сферу с переливающейся поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют всего несколько секунд, а затем лопаются либо сами по себе, либо при контакте с другим объектом. Их часто используют для развлечения детей, но также используют в художественных представлениях . В результате объединения большого количества пузырьков образуется пена .
Когда свет падает на пузырь, кажется, что он меняет цвет. В отличие от цветов радуги, которые возникают в результате дифференциального преломления, цвета, видимые в мыльном пузыре, возникают в результате интерференции световых волн , отражающихся от передней и задней поверхностей тонкой мыльной пленки. В зависимости от толщины пленки разные цвета мешают конструктивно и разрушительно.
Математика
[ редактировать ]Мыльные пузыри являются физическими примерами сложной математической задачи минимальной поверхности . Они примут форму наименьшей возможной площади поверхности , содержащей данный объем. Истинную минимальную поверхность лучше иллюстрировать мыльной пленкой , которая оказывает одинаковое давление с обеих сторон и становится поверхностью с нулевой средней кривизной . Мыльный пузырь представляет собой замкнутую мыльную пленку: из-за разницы внешнего и внутреннего давления он представляет собой поверхность постоянной средней кривизны.
Хотя с 1884 года было известно, что сферический мыльный пузырь представляет собой способ заключения заданного объема воздуха с наименьшей площадью (теорема Х.А. Шварца ), только в 2000 году было доказано, что два слившихся мыльных пузыря обеспечивают оптимальную способ помещения двух заданных объемов воздуха разного размера с наименьшей площадью поверхности. Это явление получило название гипотезы двойного пузыря . [1]
Благодаря этим качествам мыльно-пузырчатые пленки нашли применение в практических целях решения проблем. Инженер-строитель Фрей Отто использовал пленки из мыльных пузырей, чтобы определить геометрию листа с наименьшей площадью поверхности, который распространяется между несколькими точками, и воплотил эту геометрию в революционные натяжные конструкции крыши . [2] Известным примером является его западногерманский павильон на выставке «Экспо 67» в Монреале.
Мыльные пузыри как нетрадиционные вычисления
[ редактировать ]Структуры, из которых состоят мыльные пленки, могут быть заключены не просто в сферы, а практически в любую форму, например, в проволочные рамки. Таким образом, можно спроектировать множество различных минимальных поверхностей. На самом деле иногда их проще создать физически, чем вычислить с помощью математического моделирования . Вот почему мыльные пленки можно рассматривать как аналоговые компьютеры , которые могут превосходить обычные компьютеры в зависимости от сложности системы. [3] [4] [5]
Физика
[ редактировать ]Слияние
[ редактировать ]
Когда два пузыря сливаются, они принимают форму, которая делает сумму площадей их поверхностей минимально возможной, что соответствует объему воздуха, заключенного в каждом пузырьке. Если пузырьки одинакового размера, их общая стенка плоская. Если они не одинакового размера, их общая стенка выпячивается в больший пузырь, поскольку меньший имеет более высокое внутреннее давление , чем больший, как предсказывает уравнение Янга-Лапласа .
В точке, где встречаются три или более пузырьков, они располагаются так, что вдоль линии встречаются только три стенки пузыря. Поскольку поверхностное натяжение одинаково на каждой из трех поверхностей, три угла между ними должны быть равны 120°. В одной точке могут встречаться только четыре стенки пузыря, причем линии, где встречаются тройки стенок пузыря, разделены cos. −1 (−1/3) ≈ 109,47°. Все эти правила, известные как законы Плато , определяют, как пена из пузырьков строится .
Стабильность
[ редактировать ]Срок службы мыльного пузыря ограничен легкостью разрыва очень тонкого слоя воды, составляющего его поверхность, а именно микрометр толщиной в мыльной пленки .Таким образом, он чувствителен к:
- Дренаж внутри мыльной пленки: вода падает под действием силы тяжести. Это можно замедлить, увеличив вязкость воды, например, добавив глицерин. Тем не менее, существует предельная высота — длина капилляра , очень высокая для мыльных пузырей: около 13 футов (4 метра). В принципе, нет ограничений по длине, которую он может достигать.
- Испарение : его можно замедлить, выдувая пузырьки во влажной атмосфере или добавляя в воду немного сахара.
- Грязь и жир. Когда пузырь касается объекта, он обычно разрывает мыльную пленку. Этого можно избежать, смочив эти поверхности водой (желательно с добавлением мыла).
После экспериментов исследователи обнаружили, что раствор содержит:
- 85,9 % воды
- 10 % глицерин
- 4 % жидкость для мытья посуды
- 0,1% гуаровая камедь
дал самые продолжительные результаты, поскольку минимизировал эффект Марангони . [6]
Смачивание
[ редактировать ]При контакте мыльного пузыря с твердым или жидким телом смачивание наблюдается поверхности. На твердой поверхности угол смачивания пузырька зависит от поверхностной энергии твердого тела. [7] [8] Мыльный пузырь имеет больший угол контакта на твердой поверхности, проявляя ультрагидрофобность, чем на гидрофильной поверхности – см. Смачивание . На поверхности жидкости угол контакта мыльного пузыря зависит от его размера — пузыри меньшего размера имеют меньшие углы контакта. [9] [10]
Мыльный пузырь, смачивающий ультрагидрофобную поверхность
Мыльный пузырь, смачивающий поверхность жидкости
Флотация
[ редактировать ]Газ внутри пузыря менее плотный, чем воздух, поскольку состоит в основном из водяного пара. Водяной пар – это газ, образующийся при испарении молекул воды. Когда молекулы воды испаряются, они выходят из жидкого состояния и переходят в газообразное состояние. В газообразном состоянии молекулы воды расположены дальше друг от друга, чем в жидком состоянии. Это происходит потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу. Испаряясь, они отрываются от этих притяжений и отдаляются друг от друга еще дальше.
Чем дальше друг от друга расположены молекулы воды, тем они менее плотны. Вот почему водяной пар менее плотный, чем воздух. Газ внутри пузыря состоит в основном из водяного пара, поэтому он менее плотный, чем воздух.
На плотность газа также может влиять его температура. При повышении температуры газа молекулы газа движутся быстрее. Это заставляет их растягиваться и становиться менее плотными. Верно и обратное. При понижении температуры газа молекулы газа движутся медленнее. Это приводит к тому, что они собираются вместе и становятся более плотными.
На температуру газа внутри пузыря влияет температура воды вокруг него. Чем теплее вода, тем теплее газ внутри пузыря. Это означает, что газ внутри пузыря будет менее плотным, если вода теплая, чем если вода холодная.
Отдых
[ редактировать ]Использование в игре
[ редактировать ]Мыльные пузыри использовались в качестве развлечения уже как минимум 400 лет, о чем свидетельствуют фламандские картины 17-го века, на которых изображены дети, надувающие пузыри из глиняных трубок. Лондонская фирма A. & F. Pears в 1886 году создала знаменитую рекламную кампанию своего мыла, используя картину Джона Эверетта Милле, на которой изображен ребенок, играющий с пузырьками. Чикагская компания Chemtoy начала продавать раствор для мыльных пузырей в 1940-х годах, и с тех пор раствор для мыльных пузырей пользуется популярностью среди детей. По одной из отраслевых оценок, розничные торговцы продают около 200 миллионов бутылок в год. Жидкость для мытья посуды с водой и дополнительными ингредиентами, такими как глицерин и сахар, используется как популярная альтернатива готовому пузырьковому раствору. [ нужна ссылка ]
Женщина создает пузыри длинной палочкой для мыльных пузырей.
Мыльные пузыри в парке Долорес во время марша Дайка , июнь 2019 г.
Адриан Ханнеман , Два мальчика, пускающие мыльные пузыри ( ок. 1630 г. )
Цветные пузыри
[ редактировать ]
Пузырь состоит из прозрачной воды, содержащей прозрачный воздух. Однако мыльная пленка имеет толщину длины волны видимого света , что приводит к оптическим интерференциям . Это создает переливчатость , которая в сочетании со сферической формой и хрупкостью пузыря способствует его волшебному воздействию как на детей, так и на взрослых. Каждый цвет является результатом разной толщины пленки мыльных пузырей. Том Нодди (который фигурировал во втором эпизоде сериала Маркуса дю Сотуа « Код ») привел аналогию с рассмотрением контурной карты поверхности пузырей. Однако создание искусственно окрашенных пузырей стало сложной задачей.
Байрон, Мелоди и Энох Светланд изобрели запатентованный нетоксичный пузырь (Tekno Bubbles). [11] которые светятся под УФ-освещением. Эти пузырьки выглядят как обычные высококачественные «прозрачные» пузырьки при обычном освещении, но светятся под воздействием настоящего ультрафиолетового света. Чем ярче УФ-освещение, тем ярче они светятся. Семья продавала их по всему миру, но с тех пор продала свою компанию.
Добавление цветного красителя в смеси пузырьков не приводит к образованию цветных пузырьков, поскольку краситель прикрепляется к молекулам воды, а не к поверхностно-активному веществу. Таким образом, образуется бесцветный пузырь, в котором краситель попадает в точку у основания. Химик -краситель доктор Рам Сабнис разработал лактоновый краситель, который прилипает к поверхностно-активным веществам, позволяя образовывать ярко окрашенные пузырьки. кристаллический фиолетовый лактон Примером может служить . Другой человек по имени Тим Кехо изобрел цветной пузырь, который теряет свой цвет под воздействием давления или кислорода, который он теперь продает в Интернете под названием Zubbles , который нетоксичен и не оставляет пятен. В 2010 году японский астронавт Наоко Ямадзаки можно создавать цветные пузыри продемонстрировала, что в условиях микрогравитации . Причина в том, что молекулы воды равномерно распределяются вокруг пузыря в условиях низкой гравитации.
Замораживание
[ редактировать ]
Если мыльные пузыри выдуть в воздух с температурой ниже -15 ° C (5 °F ), они замерзнут при касании поверхности . Воздух внутри будет постепенно рассеиваться , заставляя пузырь рушиться под собственным весом. При температуре ниже -25 ° C (-13 ° F) пузырьки замерзают на воздухе и могут разбиться при ударе о землю. Когда пузырь надувается теплым воздухом, пузырь сначала замерзает до почти идеальной сферы, но когда теплый воздух охлаждается и происходит уменьшение объема, происходит частичное схлопывание пузыря. Пузырь, успешно созданный при такой низкой температуре, всегда будет довольно маленьким; он быстро замерзнет и разобьется при дальнейшем увеличении. [12] Замерзание мелких мыльных пузырей происходит в течение 2 секунд после их попадания на снег (при температуре воздуха около –10…–14 °С). [13]
Искусство
[ редактировать ]
мыльных пузырей Представления сочетают в себе развлечение и художественные достижения. Они требуют высокой квалификации. [ нужна ссылка ] Некоторые исполнители используют обычные коммерчески доступные пузырьковые жидкости, а другие составляют свои собственные растворы. Некоторые художники создают гигантские пузыри или трубки, часто окутывающие предметы или даже людей. Другим удается создавать пузырьки, образующие кубы, тетраэдры и другие фигуры и формы. Иногда с пузырьками берутся голыми руками. Чтобы усилить визуальное впечатление, их иногда наполняют дымом , паром или гелием и сочетают с лазерными лучами или огнем. Мыльные пузыри можно наполнить горючим газом, например природным газом , а затем воспламенить.
Среди профессиональных художников по созданию пузырей — Том Нодди , Фань Ян и The Amazing Bubble Man .
Образование
[ редактировать ]Пузыри можно эффективно использовать для обучения и изучения самых разных концепций даже маленьких детей. Гибкость, формирование цвета, отражающие или зеркальные поверхности, вогнутые и выпуклые поверхности, прозрачность, разнообразие форм (круг, квадрат, треугольник, сфера, куб, тетраэдр, шестиугольник), упругие свойства и сравнительный размер, а также более эзотерические свойства пузырьков, перечисленных на этой странице. Пузыри полезны при обучении концепциям, начиная с двухлетнего возраста и вплоть до обучения в колледже. Профессор швейцарского университета доктор Натали Хартцелл предположила, что использование искусственных пузырей в развлекательных целях для маленьких детей оказывает положительный эффект на область детского мозга, которая контролирует моторику и отвечает за координацию с детьми, подвергающимися воздействию пузырей. в молодом возрасте демонстрируя значительно лучшие двигательные навыки, чем те, кто этого не делал. [14]
См. также
[ редактировать ]- Антипузырь
- Пузырьковая труба
- Мыло
- Плато Джозефа
- Метод растянутой сетки
- Том Нодди
- Удивительный человек-пузырь
- Структура Вейра – Фелана
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хатчингс, Майкл; Морган, Фрэнк; Риторе, Мануэль; Рос, Антонио (17 июля 2000 г.). «Доказательство гипотезы о двойном пузыре» . Электронные объявления об исследованиях . 6 (6): 45–49. дои : 10.1090/S1079-6762-00-00079-2 . hdl : 10481/32449 .
- ↑ Джонатан Глэнси, The Guardian, 28 ноября 2012 г. Архивировано 8 января 2017 г., в Wayback Machine.
- ^ Айзенберг, Кирилл (2012). «Мыльный фильм: аналоговый компьютер». Американский учёный . 100 (3): 1. дои : 10.1511/2012.96.1 .
- ^ Айзенберг, Кирилл (1976). «Мыльный фильм: аналоговый компьютер». Американский учёный . 64 (3): 514–518. Бибкод : 1976AmSci..64..514I . дои : 10.1511/2012.96.1 .
- ^ Тейлор, Джин Э. (1977). «Письма из мыльного фильма». Американский учёный . 100 (январь – февраль): 1. doi : 10.1511/2012.96.1 .
- ^ Новый учёный: Какой рецепт пузырьковой смеси лучше всего? У ученых есть ответ 22 сентября 2022 г. Автор: Крис Симмс
- ^ Тейшейра, MAC; Тейшейра, PIC (2009). «Угол контакта полусферического пузыря: аналитический подход» (PDF) . Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 338 (1): 193–200. Бибкод : 2009JCIS..338..193T . doi : 10.1016/j.jcis.2009.05.062 . ПМИД 19541324 . S2CID 205804300 .
- ^ Арскотт, Стив (2013). «Смачивание мыльных пузырей на гидрофильных, гидрофобных и супергидрофобных поверхностях». Письма по прикладной физике . 102 (25): 254103. arXiv : 1303.6414 . Бибкод : 2013ApPhL.102y4103A . дои : 10.1063/1.4812710 . S2CID 118645574 .
- ^ MAC Тейшейра, С. Арскотт, С. Дж. Кокс и PIC Тейшейра, Ленгмюр 31, 13708 (2015). [1]
- ^ «О отчаянный да болха» . Архивировано из оригинала 12 февраля 2016 г. Проверено 9 февраля 2016 г.
- ^ Мэри Беллис (05.10.1999). «Интервью с Байроном и Мелоди Светленд — изобретателями текно-пузырей» . Inventors.about.com. Архивировано из оригинала 4 июля 2013 г. Проверено 4 октября 2013 г.
- ^ Хоуп Терстон Картер: Frozen Frosted Fun. Архивировано 15 февраля 2016 г. на Wayback Machine Hopecarter.photoshelter.com, Мичиган, США, 2014 г., получено 25 января 2017 г. - Каталог фотографий.
- ^ Pilleuspulcher: Замерзающие мыльные пузыри на снегу. Архивировано 2 февраля 2017 г. в Wayback Machine google+, Регенсбург, Германия, 23 января 2017 г., получено 25 января 2017 г. - Фотографии, описание на немецком языке.
- ^ Тейлор, Дж. Э. (1976). «Структура особенностей минимальных поверхностей типа мыльных пузырей и мыльных пленок». Анналы математики . 103 (3): 489–539. дои : 10.2307/1970949 . JSTOR 1970949 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Опрея, Джон (2000). Математика мыльных пленок – исследования с кленом . Американское математическое общество (1-е изд.). ISBN 0-8218-2118-0
- Мальчики, CV (1890) Мыльные пузыри и силы, которые их формируют ; (Дуврская перепечатка) ISBN 0-486-20542-8 . Классическая викторианская экспозиция, основанная на серии лекций, первоначально прочитанных «перед юной аудиторией».
- Айзенберг, Сирил (1992) Наука о мыльных пленках и мыльных пузырях ; (Дувр) ISBN 0-486-26960-4 .
- Нодди, Том (1982) «Магия пузырей Тома Нодди» Объяснения пионера-исполнителя пузырей создали современное искусство перформанса.
- Стейн, Дэвид (2005) «Как сделать чудовищные, огромные, невероятно большие пузыри»; (Клуц) Ранее «Невероятная книга пузырей» (1987) положила начало спорту с гигантскими пузырями. ISBN 978-1-57054-257-2
Внешние ссылки
[ редактировать ]
