Исследование мыльных пузырей на устойчивость с целью создания моделей.

Государственное бюджетное образовательное учреждение

города Москвы

специальная (коррекционная) общеобразовательная

школа-интернат IV вида №2

Проектная работа

по теме:

 «Исследование мыльных пузырей на устойчивость с целью создания моделей».

Авторы                                 Толстова Анна 11 класс

   Кузнецова Ольга 10 класс

Руководитель проекта:     Романова Мария Викторовна,

 учитель физики и информатики

Научный консультант:    Лютов Валентин Николаевич,

учитель биологии, ответственный за

инновационную работу в ОУ

Москва

2015

Тема проекта: Исследование мыльных пузырей на устойчивость с целью создания моделей.

Актуальность: Физики из Университета Миссисипи предложили моделировать черные дыры с помощью мыльных пузырей. По их словам, мыльная мембрана имеет ряд общих черт с "горизонтом событий", отделяющим черную дыру от остальной Вселенной. "Горизонт событий" можно описывать в терминах "поверхностного натяжения".

Физические объекты с поверхностным натяжением интересуют математиков как иллюстрация к ряду вариационных задач. Мыльные пленки "решают" задачу Плато - задача нахождения минимальной поверхности с заранее заданной границей.

Мыльная плёнка прекрасный объект для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести практически роли не играет, потому что мыльная плёнка очень тонкая и масса у неё ничтожна. Главную роль здесь играет сила поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях.

Цель проекта:

• Изучить физические основы и обоснования образования и существования мыльных пузырей, применить полученные знания на практике.
• Провести исследования имеющихся рецептов мыльных пузырей, выяснить, с помощью каких растворов получаются наиболее устойчивые пузыри.

Основные задачи деятельности:

• изучить теорию поверхностного натяжения;
• приготовить мыльные растворы на основе воды с разными качествами;
• определить время жизни мыльных пузырей;
• измерить силу поверхностного натяжения мыльных растворов, рассчитать коэффициент поверхностного натяжения;
• разработать методику получения устойчивых мыльных пузырей;
• провести ряд экспериментов с мыльными пузырями.

Объект исследования: мыльный пузырь как физическое явление.

Предмет исследования: свойства мыльных пузырей, влияние на них качества воды.

Методы исследования:

• Анализ современной литературы.
• Опытно - экспериментальный.
• Статистический метод.

Теоретическая часть: Физические основы мыльного пузыря.

Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности.

Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени, любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.

Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввел Янош Сегнер (1752 год).

Мыльный пузырь — 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.

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.

Мыльный пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости 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.

Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp.

Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения.

Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше:

Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде:

σ4πR = ΔpπR2

С поверхностью жидкости связана свободная энергия: E= σ*S

где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости.

Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Наименьшую площадь поверхности при данном объеме имеет сфера, следовательно, силы натяжения формируют сферу.

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.

Практическая часть: Экспериментальное исследование мыльных пузырей.

Исследование №1. Определение времени жизни и размер мыльного пузыря.

Оборудование: весы с разновесами, мензурка, стаканы, сосуды с водой (обычной и дистиллированной), глицерин, средство для мытья посуды «Fairy», хозяйственное мыло 70%, шампунь «Чистая линия», стеклянные трубочки, стеклянные воронки.

Цель: Протестировать состав мыльного пузыря и определить его размер.

Гипотеза: На время жизни мыльного пузыря и его размер влияет состав мыльного раствора и качество воды, на основе которой сделан мыльный пузырь.

Условия: В опыте взяты объём воды по 200 мл, объём моющего средства и шампуня по 20 мл, масса мыла 20 г, глицерин 30 мл. Температура воды 200 С.

Средство для мытья посуды, хозяйственное мыло, шампунь были разведены в двух видах воды: обычной и дистиллированной. Ещё в шесть стаканов с этими видами растворов был добавлен глицерин. Получилось каждого средства по четыре стакана с глицерином и без него. Всего 12 растворов.

Из каждого раствора выдувалось десять пузырей. В таблицу внесены средние значения.

Сводная таблица тестирования составов мыльных пузырей:

Выводы:

• Время жизни  и размер мыльных пузырей зависит от состава мыльного раствора и качества воды, на основе которой сделан мыльный пузырь.
• Большее время жизни и размер мыльных пузырей, полученных на основе моющего средства.
• Большее время жизни и размер мыльных пузырей, полученных на основе дистиллированной воды.
• Большее время жизни и размер мыльных пузырей, полученных с помощью растворов с добавлением глицерина.
• Время жизни малых по размеру пузырей больше чем у больших.

Исследование №2. Измерение силы поверхностного натяжения и расчет коэффициента поверхностного натяжения.

Оборудование: динамометр, П- образная петля, стаканы с мыльными растворами.

Цель: Измерить силу поверхностного натяжения и рассчитать коэффициент поверхностного натяжения.

Гипотеза: На силу поверхностного натяжения и коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора влияет состав мыльного раствора и качество воды, на основе которой сделан мыльный пузырь.

Условия: Методом отрыва петли при помощи динамометра измеряем силу поверхностного натяжения и вычисляем коэффициенты поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения - отношение модуля F силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя L к этой длине.

Выводы:

• Сила и коэффициент поверхностного натяжения раствора зависят от состава раствора. Самые большие показатели у растворов на основе хозяйственного мыла.
• На значение силы поверхностного натяжения, а так же на коэффициент поверхностного натяжения качество воды влияет не значительно.
• Можно заметить зависимость данных величин от наличия глицерина в растворе.

Исследование №3. Наблюдение интерференции, преломления и отражения света в мыльных пузырях. Получение Ньютоновых колец.

Оборудование: стаканы с мыльными растворами, стеклянные трубочки, свеча, белый экран на подставке.

Цель: Пронаблюдать явления интерференции, преломления и отражения света в мыльных пузырях.

Условия: Нужно выдуть большой пузырь и посадить его на край стакана, смазав предварительно край глицерином. Позади пузыря зажигаем свечу, ставим ее в 80 см от пузыря; а с другой стороны, в 10 см от него, ставим экран. Полученный шар вырисуется на экране, а через несколько мгновений на экране станут отчетливо видны цветные "ньютоновы кольца". Кольца разного цвета будут перемещаться сверху вниз. Один цвет будет сменять другой: смена цветов происходит в определенном, строгом порядке.

Мы выдували мыльные пузыри из разных растворов и наблюдали данные явления. Можно было наблюдать, как меняется картина окраски. Наблюдать в каких местах плёнка пузыря становилась тоньше, эти места темнели, мы заметили, что разрушение пузыря наступает при увеличении темного пятна.

Вывод:

Время наблюдения явлений интерференции, преломления и отражения света зависит от времени жизни пузыря.

Исследование №4. Наблюдение мыльных пузырей при добавлении краски в раствор.

Оборудование: стаканы с мыльными растворами на основе дистиллированной воды с глицерином, стеклянные трубочки, краска гуашь, раствор зелёнки.

Цель: Пронаблюдать за цветом окраски мыльного пузыря при добавлении краски в раствор.

Гипотеза: Цвет мыльных пузырей изменится при добавлении краски.

Условия: В один стакан мыльного раствора добавили краску красного цвета, в другой раствор зелёнки, в третий краску синего цвета.

Исследования показали, что добавленная краска не придаёт цвета пузырю, зато получаются интересные моменты для наблюдения. Пузыри получаются на фоне красной, синей и зелёной жидкости, что очень красиво.

Вывод: цвет мыльных пузырей не изменяется при добавлении краски.

Опыты с мыльными пузырями.

Опыт 1. Пузырь в пузыре.

Для того чтобы в пузыре появился пузырь нам надо: мыльный раствор, воронку и трубочку хорошо смоченные в растворе. Из воронки надуваем большой пузырь, в этом пузыре при помощи тоненькой трубочки надуваем в большом пузыре пузырь поменьше. Потом маленькую трубочку аккуратно вытаскиваем. Маленький пузырь будет висеть, держась за большой пузырь.

Опыт 2. Мыльные пузыри вокруг предмета.

В тарелку наливаем мыльный раствор настолько, чтобы дно тарелки было покрыто слоем в 2-3 мм, в середину кладем предметы и накрываем воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дуем в её узкую трубочку, - образовывается мыльный пузырь; когда же этот пузырь достигает достаточных размеров, наклоняем воронку в сторону, высвобождая из-под неё пузырь.

Затем смочив руку мыльным раствором, достаем из пузыря и опускаем в пузырь маленькие предметы.

Опыт 3. Поверхностное натяжение воды.

Получим плёнку на рамке и будем лить через нее воду. После этого мы будем наблюдать прохождение струи воды через мыльную пленку, которая при этом остается целой и невредимой. Вода обладает поверхностным натяжением, поэтому, даже струя воды не разрушает плёнку.

Опыт 4. Опыт с летающим пузырем.

Очень красивый опыт с летающим пузырем можно сделать в большой стеклянной банке. На дно банки ставим маленькую чашечку с кусочками мела. Польем мел раствором соляной кислоты (1 часть кислоты на 10 частей воды). Попав на мел, раствор зашипит, забурлит, запузырится. Подождем, пока кипение в чашечке закончится. Тогда и воздух в банке станет спокойным.

Выдуваем небольшой пузырь, только без капли внизу, и стряхнем его в банку. Сначала он упадет почти на самое дно, а потом остановится и начнет подниматься. Поднимется немного, потом опять вниз, и опять не до дна, и снова поднимется... Пузырь ныряет, словно поплавок в пруду. Наконец он остановится на небольшой высоте над дном банки. Здесь пузырь начнет менять цвета. Вот он светло-голубой, потом зеленый, желтый, вот делается красным, малиновым... Наконец, пузырь становится лиловым, опускается все ниже и... конец! Пузырь лопается, обычно не достигнув дна.

При действии соляной кислоты на мел получается углекислый газ. Он бесцветен, как воздух, но тяжелее по весу и поэтому оседает на дно банки. А пузырь-то наполнен воздухом, он легче. Вот поэтому он и всплывает. Но постепенно углекислый газ проходит внутрь пузыря сквозь тоненькую его оболочку. И тогда пузырь тонет.

Опыт 5. Создание геометрических моделей.

Из проволоки, изолированной пряжей или ржавой, делаем куб со сторонами примерно по 7 см. Сверху к кубу крепим П-образную скобу-ручку, чтобы его удобно было держать.

Погружаем куб целиком в мыльный раствор и осторожно вытаскиваем его. Получаем куб, но в его центре окажется еще небольшой квадратик, соединенный косыми пленками с ребрами куба.

Погружаем проволочный куб снова в раствор, но только одной нижней плоскостью. Видим новое превращение: в середине куба появится маленький кубик из мыльной пленки, а вокруг него — шесть правильных пирамид. И все это непрочное сооружение будет переливаться красным и желтым, зеленым и голубым.

Дотронься до одной из плоскостей большого куба углом промокашки — и внутренний кубик мгновенно превратится снова в квадрат.

Выводы:

Работа по данной теме позволила нам узнать много интересного о мыльных пузырях. Мы узнали:

• мыльные пузыри используют в различных областях науки;
• время жизни мыльных пузырей зависит состава мыльного раствора и качества воды, на основе которой сделан мыльный пузырь;
• большее время жизни у мыльных пузырей, полученных на основе дистиллированной воды при добавлении глицерина;
• время жизни малых по диаметру пузырей больше чем больших;
• коэффициент поверхностного натяжения раствора зависит от состава мыльного раствора.

Благодаря данной работе мы узнали о строении мыльного пузыря, узнали о явлении интерференции света и научились её наблюдать. Время наблюдения явлений интерференции, преломления и отражения света зависит от времени жизни пузыря.

Цвет мыльных пузырей не изменяется при добавлении краски.

В настоящее время мыльные пузыри становятся модными объектами. Из веселой игрушки для детей они превращаются в элемент технологии праздника. Мы имеем дело с интереснейшим физическим объектом, изучая свойства которого мы можем не только развлекаться, но и понимать глубже, как устроен мир, в котором мы живем.

В мыльном пузыре, в его недолговечной и воздушной природе, сокрыто ещё множество тайн.

Данная работа может использоваться для внеклассных мероприятий по физике. В геометрии: решение изопериметрических задач. А так же её можно использовать для проведения детских праздников.

Литература:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б. «Физика 11»
2. Элементарный учебник физики. Учебное пособие. (Под ред. Г.С. Ландсберга). Т.1. – М.: Наука, 1986
3. Гегузин Я.Е. Пузыри - М.: Наука, 1985.
4. Л. Гальперштейн «Здравствуй, физика!»
5. Журнал «Юный техник» 1968г. -№ 06.
6. “Известия науки”, портал http://www.inauka.ru ,редакция газеты "Известия", 2002
7. Журнал «Наука и жизнь», №2, 1982
8. http://www.nevcos.ru/fl.html. Секрет раствора мыльных пузырей.

Оптика мыльного пузыря.

Физика XVIII века передала XIX веку по наследству противоречивые представления о природе света. К Ньютону восходили представления о «корпускулярном» свете – потоке гипотетических частиц – корпускул.

К Гуку и Гюйгенсу восходили представления о волновой природе света.

В это время жил один из величайших физиков Томас Юнг, который своими исследованиями обосновал волновые представления о свете и, в частности, о природе явлений интерференции, о цветах тонких плёнок.

Пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги. Посмотрим, почему это происходит.

Окраска мыльных пузырей или тонких пленок бензина на поверхности воды объясняется интерференцией волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки. Ход лучей в тонких пленках изображен на рисунке.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Когерентных волны – волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.

Объясним цветовую окраску интерференционных полос. Разность хода лучей, отраженных  от разных граней пленки, зависит от ее толщины. При определенной толщине условие максимума выполнится для какой-то длины волны (λ), и пленка в отраженном свете приобретет окраску.

Следовательно, при выполнении

Условия максимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн

Δd = k λ , k =0,1,2,3,… - волны усилят друг друга,

Δd – разность хода лучей

Условия минимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу полуволн

Δd =(2k+1) λ/2 , k =0,1,2,3,… -волны погасят друг друга.

Мы выяснили, как появляется окраска мыльных пузырей, но почему, же одни имеют радужную окраску, а другие – нет?

Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска.

Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о чёрных полосках и пятнах в его окраске. Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте. Если толщина плёнки очень мала по сравнению с длиной волны, то лучи будут гасить друг друга. А это означает, что возникает чёрная окраска плёнки.

Итак, мыльные пузыри приобретают радужную окрасу благодаря явлению интерференции световых волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки.

Применение мыльных пузырей в науке.

Механизм строения мыльных пузырей позволяет понять процесс удаления грязи с помощью мыльной воды. Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к гидрофобному концу.

В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря — аэростат — используется для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий. В оболочке мыльного пузыря находится горячий воздух, который обладает меньшей плотностью, чем холодный, поэтому пузырь способен подниматься вверх. По такому же принципу взлетает в небо аэростат.

Мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный 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 воздушных пузырьков 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 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, так как по своим физическим параметрам отношение толщины мыльной пленки к диаметру пузыря эквивалентно отношению толщины атмосферы к диаметру планеты.

Мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности. Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать. Ученые московского Института химической физики РАН одни из первых выяснили, что если в уже очищенную нефть добавить воды и поверхностно-активные вещества, то в нефти образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой. Оказалось, что в этих пузырьках, которые ученые назвали "мицеллами", могут происходить различные химические реакции. Ученые сконструировали такие "микрореакторы" для окислительной переработки углеводородного сырья. Так называемое жидкофазное окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.

Даже когда пузырь лопается, это тоже идёт на пользу науке. Изучая лопающиеся пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации - образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод.