Исследовательская работа «Мыльные пузыри и физика»

XIII городская межшкольная конференция

 «Я - исследователь» для обучающихся 5-8-х классов

Секция «Физика»

Тема: «Мыльные пузыри и физика»

Выполнил:

Брунцова Ирина Андреевна

 обучающегося 8 класса

ЧОУ «Школа «Благое Отрочество»

Красноглинский район

 Научный руководитель:

Офицерова Валентина Александровна,

учитель физики

Самара, 2021-2022 гг.

Оглавление

1. Введение        3        
2. Основная часть

  Глава 1. Теоретическая часть исследования

      1.1 Что такое мыльный пузырь?        5        

      1.2 История возникновения мыльного пузыря        5

      1.3 Физические свойства мыльных пузырей        6

   Глава 2. Практическая часть исследования

       2.1 Изготовление раствора для мыльного пузыря        8

3. Заключение        13

4. Список литературы, сайтов         15

5. Приложения        16

1. Введение

 «…Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное

и самое изысканное явление природы»

Марк Твен.

В детстве мне нравилось выдувать мыльные пузыри, они завораживали своей различной формой, прозрачностью, переливающимся светом. Малейший порыв ветра превращал движение мыльного пузыря в непредсказуемый зигзаг. И всегда было жалко, когда они лопались, не оставляя следа.

Мыльные пузыри, которые окрашиваются попеременно в самые разные цвета радуги, кажутся сказочными и волшебными.

Я их ловила, они лопались – это было, пожалуй, одно из моих детских любимых занятий.

Однажды я увидела шоу, в котором пузыри выдували огромных размеров и проделывали с ними разные фокусы: надували дымом, брали их в руки, делали из них гирлянды, помещали внутрь пузырей различные предметы и даже людей.

Возможности по применению мыльных пузырей оказались необычайно велики, особенно в индустрии развлечений. Сегодня нередко их используют в своих программах клоуны и аниматоры. Независимо от возраста, пузыри вызывают у людей восторженные крики и непреодолимое желание немедленно догнать и поймать убегающий сверкающий шар.

Неужели это возможно с обычными мыльными пузырями? Каковы физические свойства растворов мыльных пузырей. В чем физический смысл подобных фокусов?

Изучая физику, я поняла, что в мире все связано с этим предметом и решила проверить, наличие связи между физикой и мыльными пузырями.

Раньше я пользовалась наборами для выдувания мыльных пузырей, которые были куплены в магазинах, а изготовить, например, самой раствор или провести с ними различные эксперименты я никогда не пробовала. И я решила провести исследование.

Цель исследования: исследование физических свойств растворов мыльных пузырей, нахождение наиболее оптимальной концентрации состава для мыльных пузырей.

Исходя из поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

1. Собрать и обобщить материал по проблеме исследования.
2. Познакомиться с понятием и строением мыльного пузыря.
3. Рассмотреть физические свойства жидкостей для мыльных пузырей, получаемых из разных составов.
4. Экспериментальным путем проверить различные составы растворов мыльных пузырей, с помощью которых получаются наиболее крупные и прочные мыльные пузыри.

Проблема исследования: самостоятельное изготовление растворов для мыльных пузырей.

Объект исследования – растворы мыльных пузырей.

Предмет исследования – экспериментально проверить различные составы растворов мыльных пузырей. 

Гипотеза – предполагаю, что связь мыльных пузырей с физикой зависит от состава мыльного раствора. Так ли это на самом деле?

Методы исследования:

1. теоретические: изучение и обобщение собранной информации, анализ.

2. эмпирические: эксперимент.

Практическая значимость данной работы заключается в том, что материалы проекта могут быть использованы на уроках и внеурочной деятельности по физике, в развлекательных целях для младших школьников.

2. Основная часть

Глава 1. Теоретическая часть исследования

1.  Что такое мыльный пузырь

Мыльный пузырь – тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла.

В мыльном пузыре присутствует тёплый воздух и поэтому мыльный пузырь летает, ведь тёплый воздух легче воздуха. На уроках физики я познакомилась с законом Архимеда, законом Паскаля, физическим явлением диффузией. Эти знания помогли мне ответить на важные вопросы:

Почему мыльный пузырь имеет форму шара? Как же выдуваются мыльные пузыри?  Почему некоторые пузыри поднимаются, а потом опускаются?

После долгих экспериментов, я пришла к выводу: необходим хороший мыльный раствор. Надувая мыльный пузырь тёплым воздухом, создаю силу выталкивания, по которой воздух выталкивает плёнку в трубочке и получается пузырь формы шара. Он поднимается, потому что тёплый воздух легче холодного, остывая, он опускается, потому что холодный воздух тяжелее тёплого.  

2. История возникновения мыльного пузыря

Идея надувания пузырей из мыльного раствора напрямую связана с изобретением мыла. Кто именно придумал надувать пузыри из пенной жидкости, оставшейся после стирки, неизвестно, известен факт, что одна английская компания в Лондоне во второй половине 19-го века начала производство жидкости для получения мыльных пузырей, которое быстро обрело популярность. И уже в начале 20-го века жидкость для надувания мыльных пузырей можно было купить практически везде по доступной цене. Пик популярности мыльных пузырей пришелся на 60-е годы 20-го века. Дети солнца и цветов «хиппи», сделали пузыри, светящиеся на солнце всеми цветами радуги, одной из эмблем своей идеологии. Они выступали за внутреннее раскрепощение человека, любовь и мир.

Мыльные пузыри больше всего любят дети. Это погружает их в мир грез, они всматриваются ввысь, наблюдая, как они парят все выше и выше в небе.
Чарльз Бойс, английский физик-экспериментатор, в своей книге «Мыльные пузыри» детально описал свойства мыльных пузырей. Сначала красивые шарики из мыльной жидкости надувались с помощью дыхания через соломинку. Огромный фурор произвело приспособление, которое могло само выпустить на свет множество мыльных пузырей одновременно. Это оборудование пользовалось успехом для организации праздничных мероприятий, на съемках художественных фильмов и в театре.

Маленький фирменный флакончик мыльных пузырей позволял надувать огромное количество радужных шаров. К сожалению, мыльные пузыри, сделанные собственноручно из жидкости с шампунем и прочими пенообразующими веществами, не получались такими стойкими. В чем секрет? Все очень просто. Нужно в определенной пропорции к очищенной воде добавить шампунь и глицерин.

Выдуванием мыльных пузырей занимались еще в древности. Например, в Китае найдены старинные папирусы, на которых изображены несколько людей, которые выдували мыльные пузыри из трубочек, сделанных из глины.

В 1886 году Британская компания по производству мыла Pears Soap Company впервые стала производить жидкость для мыльных пузырей и для рекламы использовала знаменитую картину Джона Миллеса «Пузыри».

История мыльных пузырей не закончилась, в ХХI веке – веке технического прогресса надувание мыльных пузырей стало автоматическим.

1.3 Физические свойства мыльного пузыря

Свойство №1 «Устойчивость» 

Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение эластичной пленки, например, резиновой. Однако, пузырь, сделанный только из воды, быстро лопается, поэтому в воде растворяют любые поверхностно-активные вещества, например, мыло. Под действием движения воздуха шарообразная поверхность мыльного пузыря искажается, хотя его объем – сохраняется прежним. Искажение поверхности приводит к росту площади мыльной пленки, она в некоторых местах растягивается. Концентрация молекул поверхностно-активные вещества на поверхности пленки в местах растяжения снижается, а поверхностное натяжение – растет. Возникает движение раствора в пленке, стабилизирующее пузырь – обратная связь, увеличивающая устойчивость мыльного пузыря.

Свойство №2 «Сферическая форма» 

Силы поверхностного натяжения жидкости возникают между частицами воды, или другой жидкости, притягиваясь, друг к другу, стремятся сблизиться. За счет поверхностного натяжения получается сферическая форма пузыря. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Если оставить пузырь свободно парить в воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.

Свойство №3 «Интерференция» 

Цвет пузырей – это всего лишь оптический обман. На самом деле они бесцветны. Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счет интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной пленки.

По мере того, как пленка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая пленка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отраженного света сине-зеленым. Более тонкая пленка убирает желтый (оставляя синий свет), затем зеленый (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-желтый).

Свойство №4 «Разрушение (лопание)»

Некоторые ученые всячески консервировали мыльные пузыри, храня их на протяжении нескольких суток и даже месяцев, но какой бы продолжительной не была жизнь мыльного пузыря, рано или поздно он все равно лопается. Задумывались ли вы над тем, как это происходит? Вначале нижняя часть пузыря будет утолщаться, а центральная верхняя – утончаться. Это отчетливо видно по потокам жидкости, меняющим пятнистую окраску пузыря. В какой-то момент пузырь лопнет. Нам кажется, что это мгновенное действие, но на самом деле мы видим лишь заключительную стадию – пузырь превращается в совокупность капель, расположенных по периметру. Как правило, очаг разрушения оказывается в верхнем, самом тонком месте пленки.

К физическим свойствам относят устойчивость, сферическую форму, интерференцию и разрушение.

Глава II. Практическая часть

2.1. Изготовление раствора для мыльного пузыря

Для приготовления раствора для выдувания мыльных пузырей должны входить:

- вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды (жидкое мыло «ecoroom», шампунь «Чистая линия», средство для мытья посуды «Fairy»);

- вещества, уплотняющие воду (глицерин, сахар);

- вода (из-под крана).

Таблица 1

Изучение составов растворов

Таблица 2

Количество вещества, взятого для приготовления мыльного раствора

Таблица 3

 Результаты, проводимые с раствором №1

Диаграмма 1

Результаты, проводимые с раствором №1

Таблица 4

Результаты, проводимые с раствором №2

Диаграмма 2

Результаты, проводимые с раствором №2

Таблица 5

 Результаты, проводимые с раствором №3

Диаграмма 3

Результаты, проводимые с раствором №3

Таблица 6

 Результаты, проводимые с раствором №4

Диаграмма 4

Результаты, проводимые с раствором №4

Таблица 7

Результаты, проводимые с раствором №5 (магазинный)

Диаграмма 5

Результаты, проводимые с раствором №5  (магазинный)

Суть эксперимента:

Были подготовлены отобранные составы, с соблюдением соотношения частей растворов. Каждый состав был разведён в свой стакан, которые были пронумерованы.

Эксперимент состоял из трёх этапов:

1) Пузыри всех составов проверялись на продолжительность жизни. Из каждого состава выдувался 1 пузырь, и засекалось время до его лопанья.

Первый этап эксперимента показал, что самый живучий пузырь был получен из раствора № 5

2) Пузыри всех составов проверялись на размер. Для этого каждый состав проверялся несколько раз.

Второй этап выделил лидером раствор № 4

3) Составы проверялись на возможное количество выдуваемых пузырей.

На третьем этапе победителем стал состав № 1

Победителем эксперимента стал раствор под №4 отличительной особенностью, которого стало использование моющего средства Fairy и добавление гуаши. Состав победителя: моющее средство «Fairy», вода из-под крана, глицерин, сахар, гуашь.

После этого я сравнила раствор-победитель с его покупным аналогом.

Вывод: в тех же экспериментах растворы продемонстрировали очень похожие результаты.

Мой раствор оказался не хуже покупного в показателе выдувания пузырей. Таким образом, мой раствор, полученный в домашних условиях можно использовать и для домашнего шоу мыльных пузырей.

3.Заключение

Написав работу, я узнала много нового и интересного о мыльных пузырях. Мы встречаемся с таким интересным явлением в детстве, но они вызывают положительные эмоции у человека любого возраста. С точки зрения науки мыльный пузырь – это слой воды между двумя слоями мыла. Радужные переливы получаются потому, что мыльная плёнка преломляет белый свет и разлагает его световые волны разной частоты, которые мы воспринимаем как радугу.

Проводя исследование физических свойств мыльного пузыря я, с одной стороны, вернулась в детство и развлеклась, пуская мыльные пузыри, а с другой, окунулась в мир научных исследований. В практической части исследовательской работы я готовила растворы для мыльных пузырей с помощью которого были проведены физические эксперименты, подбирала разные составы и определяла качество мыльных пузырей. Я убедилась в том, что такая физика очень полезная и нужная наука. Благодаря этой науке и существуют мыльные пузыри. Конечно, мы предполагали, что между мыльными пузырями и физикой существует непосредственная связь. Так считают и 84% опрошенных учеников нашей школы. Никто из них не пытался составить свой состав для образования мыльных пузырей, все с удовольствием использовали готовые покупные тюбики. Но точных физических знаний не имеет ни один учащийся, что показал опрос и о чем свидетельствует диаграмма (Приложение 1)

Благодаря физическим процессам, пузыри появляются и радуют нас и цветом, и формой, и своим полетом. Пузыри имеют форму шара, потому что всё на земле стремится к минимуму потенциальной энергии, а для этого нужно занять меньшую площадь поверхности при наибольшем объёме (такими свойствами обладает только шар). Температура воздуха, попавшего внутрь пузыря, обычно больше температуры окружающей среды, поэтому пузырь сначала летит вверх, а затем, быстро остывая, падает на землю.

Подводя итоги, могу утверждать, что выполненная мною работа хотя и вызывала у меня трудности, однако было интереснее, чем простое выдувания пузырей.

Задачи исследования выполнены, цель исследования достигнута, гипотеза исследования подтвердилась, так как действительно в домашних условиях можно приготовить раствор для мыльных пузырей.

Работая над проектом, я научилась планировать свою работу, выбирать нужный материал, показала одноклассникам физические свойства мыльных пузырей в видео экспериментов, тем самым удивив их. В перспективе мне бы хотелось провести другие интересные эксперименты, например, мыльные пузыри на морозе, прыгающие мыльные пузыри, мыльные пузыри с углекислым газом и показать их ученикам начальной школы на празднике.

4. Список использованных   источников

1. Чарльз Бойс «Мыльные пузыри»
2. Я.Е.Гегезин «Пузыри»
3. https://ru.wikipedia.org/wiki 
4. https://domopravitelnitsa.com 
5. https://obuchonok.ru 
6. https://www.socium-sokol.ru/ 
7. http://www.izkis.ru/info.php

Приложение 1

Анкетирование

Вопрос 1: Как думаете, есть ли связь мыльных пузырей и физики?

Вопрос 2. Какие растворы вы используете для выдувания мыльных пузырей?

1. Самодельные (0).      2. Промышленного производства (100%)

Вопрос 3. Как вы думаете, какой фактор сильнее действует на скорость, с которой лопается мыльный пузырь?

1. Состав раствораэ       2. Температура раствора

3. Окружающая среда

4. Плотность оболочки пузыря (зависящая от добавления в раствор глицерина, сахара)

Вопрос 4. Укажите номер раствора, который вы бы выбрали для приготовления мыльных пузырей.

1. Жидкое мыло, вода.            2. Шампунь, сахар, вода

3. Глицерин, вода, моющее средство

4. Пищевой краситель, глицерин, вода, моющее средство

Приложение 2

Фотографии эксперимента