Исследование строения мыльного пузыря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование строения мыльного пузыря

«Физика и познание мира»

Ясаков Георгий Андреевич

Челябинск - 2017

Введение

Умеете ли вы выдувать мыльные пузыри? Это не так просто, как кажется. И мне казалось, что здесь никакой сноровки не нужно, пока я не убедился на деле, что умение выдувать большие и красивые пузыри -- своего рода искусство, требующее упражнений. Но стоит ли заниматься таким пустым делом, как выдувание мыльных пузырей?

Совсем иначе смотрит на них физик. “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”.

Я тоже люблю выдувать пузыри и смотреть на них. Мыльный пузырь великолепен: красивый, экзотичный, переливающийся, изящный и легкий! Мыльному пузырю радуются все, не только дети, но и взрослые! Существуют даже шоу мыльных пузырей!

Мне часто покупают мыльные пузыри, но больших пузырей из них надуть у меня не получалось. И жизнь их была коротка, некоторые даже не долетали до земли. И мне захотелось получить красивые, прочные, огромные пузыри, ведь на фотографии я видел человека, находящегося внутри такого пузыря. И я решил исследовать строение мыльного пузыря. Начал с рецептов, которые в большом количестве предлагают интернет-ресурсы. Решил изучить их состав и свойства. Я увидел множество исследовательских работ, посвященных мыльным пузырям, удивился их глубине и разнообразию. Ни в одной работе я не нашел вычисления толщины пленки мыльного пузыря, а ведь от этого, возможно, зависит длительность его жизни. химический мыльный пузырь моющий

Объект исследования: мыльный пузырь.

Предмет исследования: состав, форма, толщина и скорость падения мыльного пузыря.

Гипотеза: толщина пленки влияет на долговечность мыльного пузыря.

Цель исследования: определить толщину пленки мыльного пузыря в зависимости от состава мыльного раствора.

Задачи:

1. изучить литературу о составе, строении и свойствах мыльных пузырей;

2. приготовить растворы для изготовления мыльных пузырей в домашних условиях;

3. измерить толщину пленки мыльного пузыря, изготовленного из различных растворов;

4. проанализировать данную информацию и составить рекомендации по приготовлению растворов для мыльных пузырей.

Методы: наблюдение, эксперимент, анализ.

1. Происхождение мыльных пузырей

Мыльные пузыри - одна из старейших и наиболее популярных детских забав. Даже когда в семье не было денег на игрушки, всегда можно было найти в хозяйстве мыло и воду для пузырей.

Если верить британскому физику-экспериментатору Чарльзу Вернону Бойзу, упоминания о развлечении с мыльными пузырями относятся к древнейшим временам. В своей книге «Мыльные пузыри: их цвета и силы, которые их создают» Ч. В. Бойз цитирует историков, утверждавших, что ранние изображения мыльных пузырей были обнаружены на этрусской вазе в парижском Лувре.

Картина британского художника Жана-Батиста Симеон Шардена «Мыльные пузыри» была написана около 1733-1735 годов (приложение А, рис.1). Находится она в Национальной галерее искусств в Вашингтоне, округ Колумбия. Художник Шарден для своих картин выбирал темы и предметы, популярные в то время среди всех классов французского общества. Так он нарисовал несколько картин с играющими мальчиками. Национальная галерея искусств в аннотации к этой картине пишет: «Для 18-го века пускание мыльных пузырей было одной из форм развлечения, но они также были неким символом быстротечности жизни - популярной в то время темы».

Еще одна известная картина «Пузыри» (первоначальное название «Детский мир») была написана сэром Джоном Эвереттоном Милле около 1886 года и стала известной благодаря использованию ее в рекламе грушевого мыла. Мальчик на картине - пятилетний внук художника (приложение А, рис.2).

Картина «Натюрморт с мальчиком, надувающим пузыри» художника Геррита Доу также основана на традиции, заложенной голландской школой живописи.

В 1882 году в книге Дэниела Картера Бирда The American Boy's Handy Book: What to do and How to do it («Книга для американского мальчика: что делать и как») уже существует глава «Новое в выдувании пузырей».

В 1888 году в журнале The Daily Graphic была размещена карикатура на Республиканскую партию, изображающая человека, надувающего мыльные пузыри с шестью сенаторами внутри них.

Первые патенты на устройства для выдувания пузырей датируются 1920-м годом. Например, некто J. L. Gilchrist в 1918 году подал заявку на патент для новой и улучшенной трубочки для выдувания пузырьков, которая «…недорога в изготовлении и в которой детали так связаны между собой, что они могут быть разобраны и очищены, а также быстро собраны неквалифицированным человеком».

Сначала в магазинах продавали только трубки или палочки для изготовления пузырей, но позже, в 1940-х годах, уже поступили в продажу наборы в ярко оформленных коробках, включающие в себя мыло, сосуд для мыльной воды и трубку, или две. Механические и на батарейках трубочки, часто сделанные из литографированного олова, стали популярными в 50-х и 60-х годах. Это было время, когда впервые развлечения с мыльными пузырями стали показывать на телевидении с приглашением телевизионных звезд. Например, в программе Howdy Doody Show, откуда пошли тысячи символов, ориентированных на мыльные пузыри, - персонажи Диснея, Барби, менее известные герои аниме и т. д.

И сегодня выдувание мыльных пузырей остается одним из любимых развлечений детворы во всех странах мира. Множество коллекционеров собирают наборы для выдувания пузырей, и цена их бывает достаточно высока. Например, набор на батарейках Linemar Bubble Blowing Popeye был продан на eBay в 2001 году за 1724 доллара. [1]

2. Строение мыльного пузыря

Мыльный пузырь -- это тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью. Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла (Приложение А, рис. 3).

Эти слои состоят из достаточно сложных молекул - русалок - одна часть, которых является гидрофильной (любит контактировать с водой), а другая гидрофобной (избегают подобного контакта, «боятся» воды).

Гидрофильная часть представляет собой разделённые электрические заряды, обладающие дипольным моментом. Она привлекается тонким слоем воды. В то время как гидрофобная - представляющая собой «хвост» из углеродной цепочки длиной 2,5 нм, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение (Приложение А, рис. 4).

Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют поверхностно-активные вещества, например, мыло и глицерин.

Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза: от 7 ·10-2 до 3·10-2 Дж/м2. Когда мыльная пленка растягивается, из её объёма на поверхность будут выходить оставшиеся молекулы мыла, достраивая частокол. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. Когда же все молекулы поверхностно активного вещества выйдут из объёма плёнки, её дальнейшее растяжение приведёт к разрушению пузыря. Плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооружённому зрению.

Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Прямым следствием самых общих законов природы оказывается явление адсорбции. Оно заключается в том, что на поверхности и твердых тел, и жидкостей охотно располагаются (адсорбируются) те "чужие", "примесные", поверхностно-активные молекулы, которые способны понижать поверхностную энергию. учение об адсорбции- очень значительный раздел физической химии.

Мыльные пузыри являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, только в 2000 году было доказано, что два объединенных пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря.

Сферическая форма может быть существенно искажена потоками воздуха и, тем самым, самим процессом надувания пузыря. Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической. Геометрия мыльных пузырей до сих пор озадачивает математиков. С точки зрения физики, пузырь сферический лишь в том случае, если сила тяжести не вынуждает перемещаться жидкость в объёме плёнки пузыря, и, следовательно, не приводит к тому, что плёнка внизу оказывается толще, чем вверху, и форма искажается.

3. Химический состав мыльных пузырей

Ни на одном флаконе с мыльными пузырями невозможно найти его состав, вероятно каждый производитель держит в секрете его "уникальный" состав. На самом деле в состав любых мыльных пузырей должны входить следующие компоненты:

- вода, желательно дистиллированная

- поверхностно-активные вещества (моющие средства)

- глицерин или раствор сахара (желатина)

Одним из важных свойств мыльных растворов является их способность понижать поверхностное натяжение на границе с жирами, твердыми телами, воздухом и другими, не смешивающимися с водой веществами. По этому признаку раствор мыла в воде относят к поверхностно-активным веществам. Чем выше поверхностная активность водных растворов мыла, тем больше они понижают натяжение в поверхностном слое, тем выше моющее действие мыла.

Молекула мыла состоит из двух неравных частей - полярной и неполярной. При растворении в воде мыло своей полярной группой погружается в водный раствор, в то время как неполярная углеводородная группа из воды выталкивается. Если в водный раствор мыла попадает капелька жира, масла или другого неполярного вещества, то углеводородная часть растворится в нем, в то время как карбоксил застревает в воде.

Таким образом, мыло связывает водный раствор с нерастворимыми в нем жировыми и жироподобными веществами. Это можно себе представить так, что молекула мыла является булавкой, шляпка которой находится в водном растворе, а острие -- в капельке масла. Так как в растворе находится большое количество молекул мыла, то они образуют вокруг капельки жира сплошной «частокол» в виде довольно прочной упругой пленки, удерживающей капельку в водном растворе. Схематично этот процесс показан на рисунке. (Приложение А, рис.5)

Глицерин добавляют для увеличения полярности длинных молекул растворителя, один из концов которых (гидрофильный) любит воду, а другой (гидрофобный) предпочитает жир. В результате в двойной мыльной пленке все водолюбивые хвосты молекулы мыла ориентированы внутрь пленки, водоотталкивающие -- наружу. Еще глицерин в чистом виде гигроскопичен, то есть способен отнимать влагу (вбирает в себя воду до 40 % от своего веса).

Собственно, по этой причине мыло и удаляет грязь -- остатки органического и неорганического происхождения. Молекулы мыла со всех сторон облепляют частицы грязи гидрофобными хвостами внутрь, образуя так называемую мицеллу - растворимую в воде оболочку вокруг нерастворимого кусочка грязи. Избыток соли в растворе нарушает образование мицелл. Вот почему невозможно качественно помыться в морской воде, и пузыри из соленой воды не получаются». [2]

Для проведения исследования нами были использованы различные составы мыльных пузырей.

Состав 1

50 гр сахара, 10 мл кипятка дистиллированной воды. Получили сироп.

Смешать с моющим средством в соотношении 20 мл сиропа и 1 мл моющего средства(Ferry).

Состав 2

5 мл шампуня (использовался шампунь "Чистая линия") 15 мл дистиллированной воды 2 чайные ложки сахара (без горки)

Смешали и добавили 20 мл глицерина.

Состав 3

20 мл дистиллированной воды 5 мл моющего средства 10 мл глицерина 0,5 мл нашатырного спирта

Состав 4

10 мл моющего средства 30 мл дистиллированной воды 5 мл глицерина

Состав 5 (лучший)

200 мл жидкости для посуды (Ferry) 600 мл дистиллированной воды 100 мл глицерина

Состав 6 (магазинные мыльные пузыри) химический состав не известен.

В воздухе, невозмущенном никакими воздушными потоками, мыльный пузырь опускается с постоянной скоростью v. На опускающийся мыльный пузырь действуют несколько сил: сила тяжести мыльного пузыря с заключённым в нем воздухом mg. Выталкивающая сила (сила Архимеда) F_а, сила F_т, обусловленная внутренним трением между слоями газа. Направление всех сил показано (Приложение А, рис.5)

Уравнение движения центра масс опускающегося мыльного пузыря имеет вид:

mg + F_a+F_т =ma (1)

где m - сумма масс водяной пленки пузыря(m_р) и воздуха, заключенного в нем (m_v), а - ускорение мыльного пузыря.

Через некоторое время после начала движения пузырь начинает опускаться с постоянной скоростью. Это происходит потому, что сила сопротивления пропорциональна скорости движения пузыря. Она увеличивается до тех пор, пока не наступает равновесие сил, и ускорение а становится равным нулю. Следовательно:

mg=F_a+F_т (2)

mg = F_c (3)

Не вычисляя каждую силу в отдельности, сразу попробуем оценить суммарную силу сопротивления.

Мыльный пузырь радиусом R, падая в воздухе со скоростью V, проходит за время tпуть L и передает массе воздуха, вставшей на его пути (m=рR²LСv ) падения энергию:

E_кин= F_cL=рR²Lс_vV² /2 (4)

Откуда сила суммарного сопротивления движению F_с определится как:

F_{c =}рR²V²с_v/2 (5)

Масса водяной пленки пузыря равна:

m= с_vV_{пленки=}с_v4р R²h (6)

Где h - толщина пленки мыльного пузыря.

Подставив значение массы водяной пленки пузыря из выражения (6) и силу сопротивления из выражения(5) в уравнение(3) получим:

с_v4р R² hg= рR²V² с_v/2 (7)

Откуда для толщины водяной пленки мыльного пузыря получим выражение:

h=С_v (8)

Учитывая, что при нормальных(комнатных) условиях:

С_v=1,3 кг/м^3, с_в=1000кг/м³ ; g=9,8 м/с^2,

Получим расчетную формулу для определения толщины мыльной пленки пузыря

h=6,63 *10^-5V² (м).

Опыт 1

Приготовление мыльных растворов различного состава

Для приготовления растворов мыльных пузырей мне понадобились следующее оборудование и реактивы: емкости для полученных растворов, шприц медицинский для измерения объема ингредиентов, электронные весы, дистиллированная вода, глицерин медицинский, средство для мытья посуды (Ferry), раствор нашатырного спирта, сахар, шампунь "Чистая линия".

Каждый состав был упакован в отдельную тару и в дальнейшем проверен на качество. (Приложение Б, рис. 1)

Опыт 2

Исследование растворов мыльных пузырей на прочность мыльной пленки

Каждый из полученных растворов был исследован на устойчивость мыльного пузыря к выдуванию трубочкой, металлической проволокой сделанной в виде кольца.

Данные представлены в таблице №1 (Приложение Б, рис.2,3,4,5)

Таблица №1

Магазинные пузыри	Состав 1	Состав 2	Состав 3	Состав 4	Состав 5
Выдувались через кольцо плохо, через трубочку лучше, но при касании с предметом лопались сразу	Состав оказался очень липкий, сложно выдувался как из трубочки, так и из кольца. Пузыри были не долговечны	Свежеприготовленный раствор выдувался легко, пузыри были крепкие и даже при соприкосновении с преградой отскакивали	Состав по качеству пузыря был близок к составу №2, но пузыри были менее долговечны.	Пузыри легко выдувались проволочкой, но при выдувании трубочкой под выдуваемым пузырем появлялась утяжеляющая капля. Пузыри были средней прочности.	Пузыри сделанные из этого состава были самые крепкие, выдувались лучше всего и их них можно было сделать различные фигуры

Вывод: самыми прочными и устойчивыми оказались пузыри, которые содержали наибольшее количество глицерина. Глицерин - это вид спирта, он используется в косметических средствах как смягчающее и успокаивающее средство. Добавляется в зубные пасты, клеи и кондитерские изделия для предотвращения их высыхания. Глицерин добавляют для увеличения полярности длинных молекул растворителя, один из концов которых (гидрофильный) любит воду, а другой (гидрофобный) предпочитает жир. В результате в двойной мыльной пленке все водолюбивые хвосты молекулы мыла ориентированы внутрь пленки, водоотталкивающие -- наружу. Что и подтвердилось мною на опыте.

Опыт 3

Измерение скорости падения мыльных пузырей и вычисление толщины их пленки

Для проведения опыта были использованы ранее приготовленные составы 1-5 и магазинный, трехдневной давности. При этом было установлено, что раствор №1 превратился в однородный сироп и для выдувания пузырей не пригоден.

Затем, для выполнения работы, я приготовил мыльные растворы различного состава, линейку, часы, секундомер. Важным элементом для выполнения этой работы является приспособление для выдувания пузырей. Обычная соломинка не подойдет, так как пузыри, которые получаются в этом случае, имеют отягощающие их капли в своей нижней части и их движение не подчиняется выше описанному уравнению. Получать необходимо «идеальные» пузыри без отягощающих их капель. Для этого необходимо приготовить из проволоки кольцо диаметром 1,5-2 см с ручкой (Приложение Б рис.6). Кольцо, опущенное в раствор мыльных пузырей, затягивается мыльной пленкой. Если на нее слегка и равномерно подуть, из кольца вылетает мыльный пузырь без отягощающих его капель.

Порядок выполнения работы

1. Выбрали место в кабинете, где нет заметных воздушных потоков. Для этого закрыли окно и дверь.

2. Выбрали «эталон», вдоль которого будет двигаться мыльный пузырь. Для этого подошла дальняя от батареи часть шкафа.

3. Высоту шкафа измерили, наклеив на него масштабно-координатную бумажную шкалу измерения. (приложение Б, рис. 7)

4. Рабочее место для выдувания пузырей расположили на стуле (приложение Б, рис. 8), чтобы мыльные пузыри начинали свое движение с высоты, превышающей высоту «эталона».

5. После того как пузырь выдули, с часами наблюдали за его движением и как только пузырь поравнялся с верхним краем эталона, включили секундомер. Когда пузырь пересек нижний конец «эталона» секундомер выключался.

6. Результаты опытов представлены в таблицах № 2,3,4,5,6

Таблица №2

N	L	Состав 5 (Лучший)
		t	V	h
п/п	м	c	м/с	10-5м
1	0,6	5.60	0,107
2	0,6	3,52	0,170
3	0,6	2,84	0,211
4	0,6	4,83	0,124
5	0,6	5,79	0,104
6	0,6	4,02	0,149
7	0,6	5,54	0,108
Среднее			0,139	0,128

Таблица №3

N	L	Состав 6 (Магазинный раствор)
		t	V	h
п/п	м	c	м/с	10-5м
1	0,6	3,56	0,169
2	0,6	3,65	0,164
3	0,6	3,54	0,169
4	0,6	4,2	0,143
5	0,6	4,5	0,133
6	0,6	3,96	0,150
7	0,6	4,62	0,130
Среднее			0,151	0,151

Таблица №4

N	L	Состав 4
		t	V	h
п/п	м	c	м/с	10-5м
1	0,6	З,26	0,184
2	0,6	3,82	0,157
3	0,6	4,23	0,142
4	0,6	4,40	0,136
5	0,6	3,66	0,164
6	0,6	3,35	0,179
7	0,6	4,12	0,146
Среднее			0,158	0,166

Таблица №5

N	L	Состав 3
		t	V	h
п/п	м	c	м/с	10-5м
1	0,6	3,08	0,195
2	0,6	3,62	0,166
3	0,6	4,00	0,150
4	0,6	3,87	0,155
5	0,6	3,47	0,173
6	0,6	3,95	0,152
7	0,6	3,56	0,169
Среднее			0,165	0,180

Таблица №6

N	L	Состав 2
		t	V	h
п/п	м	c	м/с	10-5м
1	0,6	2,78	0,216
2	0,6	3,12	0,192
3	0,6	3,68	0,163
4	0,6	4,68	0,128
5	0,6	2,99	0,200
6	0,6	4,12	0,146
7	0,6	3,72	0,161
Среднее			0,172	0,196

Выводы:

Произведя расчеты и наблюдения, я выяснил важные обстоятельства:

1. Скорость падения зависит от толщины стенки пузыря по закону v ? h ^1|2.

2. Различные пузыри падают с немного различными скоростями, при этом никакой зависимости скорости от радиуса не обнаруживается.

3. Наблюдавшиеся скорости колеблются вокруг среднего значения.

4. Различие в скоростях, видимо, обусловлено различием в толщине пленки пузыря.

5. Избегая различных воздушных течений, ограждая пузырь от воздушных потоков, выяснили, что восходящий поток воздуха со скоростью около ?0,15 м/с может остановить падение пузыря и даже вынудит его взлететь, удаляясь от пола.

6. Получился очень интересный результат, связанный со скоростью падения мыльных пузырей, в зависимости от химического состава и в частности количества глицерина. Чем больше глицерина было в смеси, тем больше скорость падения. И это объяснимо, т.к. глицерин является трехатомным спиртом с большой относительной молекулярной массой равной 92, он утяжелял мыльный пузырь, но при этом долговечность пузырей увеличивалась, т.к. глицерин уменьшал испарение воды, а значит и утончение стенок мыльного пузыря.

7. Измеряя время падения пузыря, необходимо помнить и о скорости реакции человека… Может от этого получилась разница между моими расчетами и данными из статей, в которых указана толщина слоя мыльного пузыря (25-30 нанометров.)

8. Толщина пузыря все время уменьшается, за счет испарения воды.

Заключение

Хотелось бы закончить свою работу словами советского инженера, физика, академика АН СССР, лауреата Нобелевской премии по физике Петра Леонидовича Капици "Свобода творчества -- свобода делать ошибки."

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. Перельман Я. «Занимательная физика», Москва, 1967г.

6. Шварц А., Перри Дж., Берн Д ж., Поверхностно-активные вещества и моющие средства - М., 1960

7. Лущекина О.Б. Шоу мыльных пузырей, или куда может завести работа над проектом // газета «Физика», № 22, - 2004г.

Приложение А

рис.1 Жана-Батиста Симеон Шардена «Мыльные пузыри»

рис.2 Джон Эвереттон Милле "Пузыри"



рис.3

рис.4.

рис.5

Рис. 6

Размещено на Allbest.ru

...