Наука о мыльных пузырях

    Окружной конкурс физико-технических проектов школьников  

                     Работу выполнили:  

                                    Зайцева Ксения (31.01.2001)  

Климова Мария (11.03.2001)  

Бочкунова Юлия (11.07.2000)  

 Ученицы 8 «А» класса  

МБОУ  СОШ № 1  

Руководитель проекта :  

Учитель физики: Плотникова Т.П.  

Владимирская обл.  г. Александров 2015г  

Оглавление

1. Введение

1. Обоснование актуальности проекта.
2. Цель работы.
3. Задачи работы.
4. Методы исследования

    2)Основная часть

       Проект «Наука о Мыльных Пузырях»

1. Теоретическая часть

2.1.1.  Что такое мыльные пузыри.

2. Первые мыльные пузыри.
3. Общие сведения о мыльных пузырях.
4. Тайны перелива цвета в мыльных пузырях.
5. Народные приметы о мыльных пузырях.

2. Практическая часть.

2.2.1.   Состав растворов мыльных пузырей.

2.2.2.   Где и как используют мыльные пузыри.

3. Замораживание мыльных пузырей.
4. Объединение пузырей.
5. Шоу мыльных пузырей.
6. Интересные факты о мыльных пузырях.

3. Заключение

    1)Введение

    1.1.Обоснование актуальности проекта.

Ты, конечно, пускал мыльные пузыри. Дело это очень нехитрое, доступное даже совсем маленьким детям. Была бы мыльная вода да соломинка! Но  теперь ты уже не так мал и даже начинаешь знакомиться с физикой. Пора тебе научиться пускать пузыри ни как-нибудь,  а солидно, научно. Это сложнее, чем просто дуть в соломинку. Зато пузыри получаются очень интересные. В чем же секрет мыльных пузырей? В них обнаруживается то самое явление, которое создает «кожу» у воды. Только состав раствора для пузырей подобран специально, чтобы пленка  была более прочной и более упругой. Эта пленка на поверхности жидкости всегда туго натянута. Поэтому и все явления называют поверхностным натяжением. Трубка для пузырей тоже годится не всякая. Ну, вот и вся наука о мыльных пузырях. Теперь принимайся за дело!

2. Цель работы.

• Изучить историю развития мыльных пузырей.
• Узнать, как и из чего создаются мыльные пузыри.
• Попытаться разобрать, вредны ли мыльные пузыри для человека.
• Доказать, что мыльные пузыри приносят радость в жизни людей.  

3. Задача работы

       При помощи найденного в различных источниках информации материала, попытаться узнать много нового о мыльных пузырях.

4. Методы исследования.

• Изучение литературы по теме.
• Систематизация материала.
• Опыт.
• Выводы на основе проведенного опыта.

2. Основная часть

2.1.   Теоретическая часть.

2.1.1 Что такое мыльные пузыри.

      Мыльный пузырь - тонкая многослойная пленка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно.                                                                        

        Мыльные пузыри - разноцветные пузыри, выдуваемые из мыльного раствора, с помощью соломинки или специальных приспособлений. Тончайшая стенка мыльных пузырей вызывает эффект интерференции света, благодаря чему пузыри переливаются «всеми цветами радуги», особенно на ярком свету. Форма мыльных пузырей почти сферическая, за счёт действия сил поверхностного натяжения.

Пускание мыльных пузырей — старинная детская забава, однако их красота привлекала также и взрослых, что позволило открыть многие физические и математические закономерности. Пузыри обычно очень недолговечны, но были разработаны специальные растворы и способы создания долгоживущих, огромных пузырей.

2.  Первые мыльные пузыри.

          История возникновения мыльных пузырей

Самые первые мыльные пузыри появились несколько тысяч лет назад. Об этом свидетельствуют фрески в городе Помпеи найденные при раскопках. На них изображено, как дети играют с мыльными пузырями. В одно время мыльные пузыри делались совершенно просто, брали воду из под стирки и устраивали шоу из них, это было в 19 веке. Позже появилась компания, занимающаяся изготовлением мыла, она также стала изготавливать специальную жидкость для мыльных пузырей, которая пользовалась успехом. Уже в 20 веке происходит бум мыльных пузырей, где их объявляют Хиппи, символом мира. История не закончилась, люди захотели производить их автоматически для разных концертов или детям давали специальные пистолеты, которые могли пускать мыльные пузырики. История дошла до того, что стали производиться различные мыльные шоу, которые стали использоваться на различных праздниках, к примеру, Дни рождения, свадьбы, кооперативы, все детские праздники(дети обожают эту прелесть) , юбилеи и другие.

3.  Основные сведения о мыльных пузырях.

          Поверхностное натяжение и форма.

Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое 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. Распространённое заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле, оно делает как раз обратное, 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.

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.

4.   Тайны перелива цвета в мыльных пузырях.  

           Интерференция и отражения.

Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.

Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений. Поскольку каждый проход света через плёнку создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине пленки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки. Если окружающие предметы хорошо освещены или имеют высокую яркость, можно наблюдать их отражение света в почти зеркальной поверхности мыльных пузырей.

По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. 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 конце концов стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря меньше 25 нанометров, и пузырь, скорее всего, 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.

5.   Народные приметы о мыльных пузырях

Пыль в воздухе нарушает устойчивость плёнки. При повышенной влажности воздуха, в дождливый день, пыли мало, а испарение воды из плёнки снижается, оттого пузыри сохраняют устойчивость намного дольше. Это объясняет народную примету: «пена на лужах — к долгому дождю». На самом деле, эта примета не предсказывает, а скорее иллюстрирует реальность: ведь если дождь идёт долго, то влажность воздуха приближается к 100%, и пузыри, взбитые каплями дождя, могут очень долго стоять на поверхности луж.

2.2.    Практическая часть.

2.2.1. Состав растворов 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 последний способ может не дать таких хороших результатов, каких хотелось бы получить, пузырь из средства для мытья посуды будет быстро лопаться. Поэтому вот несколько приёмов, помогающих улучшить результат:

Компоненты

В принципе пузыри можно формировать из любых жидкостей, точнее растворов поверхностно-активных веществ, имеющих достаточную полярность молекул, например, из водных раствором мыла. «Чисто-водяной» пузырь, без раствора ПАВ, будет неустойчив, из-за испарения и малого поверхностного натяжения. Для стабилизизации плёнки необходимы поверхностно-активные вещества (ПАВ), первым из которых было изобретено мыло. До появления синтетических ПАВ чаще всего использовалось обычное, натриевое мыло. Жидкие калийные мыла более удобны для создания мыльных пузырей; для большей стойкости плёнки к раствору добавляли глицерин.

Мыла или ПАВ снижают поверхностное натяжение воды в 2-4 раза. Под действием движения воздуха шарообразная поверхность мыльного пузыря искажается, хотя его объём — сохраняется прежним. Искажение поверхности приводит к росту площади мыльной плёнки, она в некоторых местах растягивается. Концентрация молекул ПАВ на поверхности плёнки в местах растяжения снижается, а поверхностное натяжение — растёт. Возникает движение раствора в плёнке, стабилизирующее пузырь — обратная связь, увеличивающая устойчивость мыльного пузыря.

Синтетические ПАВ открыли новую эпоху для создания игрушек типа «Радужные шары». В домашних условиях для этой цели можно использовать любые шампуни.

Растворы ПАВ на открытом воздухе постепенно теряют воду, их концентрация растёт, и пузыри могут стать неустойчивыми. В этом случае раствор следует разбавить, лучше — дистиллированной водой.Еще для создания мыльных пузырей хорошо подойдет :

• Что-нибудь уменьшающее поверхностное натяжение воды, например, жидкое мыло или детский шампунь. Чем более чистое мыло (без примесей парфюма или других добавок), тем лучший результат может получиться.

• Что-нибудь уплотняющее воду. Наиболее часто используется глицерин (который можно купить в аптеке). Также можно использовать сахар, который лучше растворять в тёплой воде. Однако плотность воды может стать слишком большой, поэтому важно соблюдать умеренность.

• Дистиллированная вода. Вода из-под крана содержит ионы кальция, которые связывают мыло. Дистиллированная вода работает лучше.

 2.2.2. Где и как используют мыльные пузыри.

           Роль мыльных пузырей в жизни ученых.

Принято думать, что главные потребители мыльных пузырей - дети, но многие ученые не смогли остаться в стороне от этого развлечения. Английский физик Уильям Томсон в своих лекциях часто говорил о том, что выдувая мыльный шар и наблюдая за ним, можно сделать очень много интересных открытий.

Говорят, что Альберт Эйнштейн очень много открытий сделал, купаясь в ванной. Ему доставляло огромное удовольствие нежиться в мыльной воде и играться с красивыми пузырями. Они очень сильно его радовали, погружали в иную реальность. Знаменитый физик Чарльз Бойс почти 100 лет назад написал книгу под названием «Мыльные пузыри». В этой книге очень детально рассказывается о том, что такое мыльный пузырь, его характеристики.

Мыльные пузыри в шоу-бизнесе и дизайне.

Красота мыльных пузырей подсказывает одно из направлений их применения: в оформлении концертов, праздничных мероприятий, различного рода торжеств. Для такого применения были изобретены специальные машины для генерации постоянного потока мыльных пузырей; этот поток подхватывается мощными вентиляторами и подсвечивается разноцветными прожекторами.

Некоторые артисты используют мыльные пузыри, как основной элемент для своих выступлений; в этом случае они демонстрируют пузыри огромного размера - более метра в диаметре.   2.2.3.Замораживание мыльных пузырей.

Если надуть пузырь при температуре −15°C, то он замёрзнет при соприкосновении с поверхностью. Воздух, находящийся внутри пузыря, будет постепенно просачиваться наружу и в конце концов пузырь разрушится под действием собственного веса.

При температуре −25°C пузыри замерзают в воздухе и могут разбиться при ударе о землю. Если при такой температуре надуть пузырь тёплым воздухом, то он замёрзнет почти в идеальной сферической форме, но по мере того, как воздух будет охлаждаться и уменьшаться в объёме, пузырь может частично разрушиться, и его форма будет искажена. Пузыри, надутые при такой температуре, всегда будут небольшими, так как они будут быстро замерзать, и если продолжать их надувать, то они лопнут.

 2.2.4. Объединение пузырей.  

Когда два пузыря соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большего пузыря, так как меньший пузырь имеет бо́льшую среднюю кривизну и большее внутреннее давление. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской.Правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в 1976 г. Жаном Тейлором. Мыльные плёнки представляют собой кусочно гладкие поверхности, средняя кривизна которых постоянна на каждом гладком участке.Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности.

• Линии пересечения поверхностей пересекаются в одной точке по четыре штуки, причём угол между любыми двумя равен arccos(-1/3)≈109,47°.

Пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, в принципе могут образовываться, однако будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся.

Пузырь в Пузыре.

Пузырь на подставке.

5. Шоу Мыльных Пузырей.

Шоу мыльных пузырей это и развлечение и искусство. Создание эффектных пузырей требует от артиста высокого уровня мастерства, а также способности приготовить мыльный раствор идеального качества. Некоторые художники создают гигантские пузыри, часто обертывающие объекты или даже людей. Другим удаётся создать пузыри в форме куба, тетраэдра и других фигур. Часто, для усиления визуального эффекта, пузыри заполняют дымом или горючим газом, сочетают с лазерной иллюминацией или открытым огнем.

6. Интересные факты о мыльных пузырях.

• Преподавателю физики из штата Индиана удалось сохранить пузырь в стеклянной банке в течение 340 дней.
• Подсчитано, что из капли мыльной воды в 1 мм куб можно выдуть пузырь диаметром 20 см, а 1 мл раствора хватит на пузырь диаметром 6 м.
• День мыльных пузырей проходит в Самаре 10 мая.
• 9 августа 1996 года новозеландец Алан Маккей выдул самый длинный мыльный пузырь – длиной 32 метра.
• Жидкость для выдувания мыльных пузырей - самая продаваемая игрушка в мире.

3) Заключение

 Многие ученые продолжают исследовать мыльные  пузыри.  

Список Литературы:

     1. http://yandex.ru/images/

     2. https://ru.wikipedia.org/wiki/

     3. Л. Гальперштейн «Забавная Физика»

     4. http://traditio-ru.org/wiki/

     5. http://puziri33.ru/     

     И другие источники информации.