Szappanbuborék

A szappanbuborék  egy vékony , szappanos vízből álló többrétegű film, amely levegővel van teli, általában gömb alakú, szivárványos felülettel . A szappanbuborékok általában csak néhány másodpercig tartanak, és érintéskor vagy spontán felszakadnak. A gyerekek gyakran használják játékaikban .

A szappanbuborék törékenysége miatt valami vonzó, de üres és rövid életű szinonimájává vált. Néha az új piacokon a részvényeket szappanbuborékokhoz hasonlítják, értékük mesterséges felfújása esetén "felfújtnak" nevezik őket.

Szappanbuborék falszerkezet

A buborékfólia egy vékony vízrétegből áll, amely két molekularéteg, leggyakrabban szappan között helyezkedik el. Ezek a rétegek molekulákat tartalmaznak, amelyek egyik része hidrofil , a másik hidrofób . A hidrofil részt vékony vízréteg vonzza, míg a hidrofób részt éppen ellenkezőleg, kinyomja. Ennek eredményeként rétegek képződnek, amelyek megvédik a vizet a gyors párolgástól, valamint csökkentik a felületi feszültséget .

Fizikai alapok

Felületi feszültség és alak

A buborék azért létezik, mert bármely folyadék (jelen esetben víz) felületén van valamilyen felületi feszültség , amitől a felület úgy viselkedik, mint valami rugalmas . A csak vízből készült buborék azonban instabil és gyorsan felrobban. Állapotának stabilizálása érdekében egyes felületaktív anyagokat , például szappant, feloldanak vízben. Általános tévhit, hogy a szappan növeli a víz felületi feszültségét. Valójában éppen az ellenkezőjét teszi: a felületi feszültséget a tiszta víz körülbelül harmadára csökkenti. Amikor egy szappanfóliát megnyújtanak, a felületen lévő szappanmolekulák koncentrációja csökken, ami növeli a felületi feszültséget . Így a szappan szelektíven erősíti a buborék gyenge részeit, megakadályozva azok további nyúlását. Emellett a szappan megakadályozza a víz elpárolgását, így a buborékok élettartama még hosszabb.

A buborék gömb alakú formája szintén a felületi feszültségnek köszönhető . A feszítőerők gömböt alkotnak, mert egy gömbnek van a legkisebb felülete egy adott térfogathoz képest. Ezt az alakzatot jelentősen torzíthatják a légáramlatok és maga a buborékfelfúvódási folyamat. Ha azonban a buborékot csendes levegőn hagyjuk lebegni, akkor alakja nagyon hamar gömbszerűvé válik.

Fagyasztó buborékok

Bizonyítékok vannak arra, hogy –10 °C körüli hőmérsékleten a szappanbuborékok megfagynak [1] . Annak érdekében, hogy a buborék fagyáskor ne törjön el, ajánlatos a szappanbuborékot kültéri hőmérsékletű levegővel felfújni (például a gyűrű gyors mozgatásával), nem pedig a szájból érkező meleg levegővel.

Ha egy buborékot -15 ° C -on fúj fel, az megfagy a felülettel érintkezve. A buborék belsejében lévő levegő fokozatosan kiszivárog, és végül a buborék saját súlya alatt összeomlik.

-25°C-on a buborékok megfagynak a levegőben, és földet érve eltörhetnek. Ha ezen a hőmérsékleten meleg levegővel fújunk fel egy buborékot, az szinte tökéletes gömb alakúra fagy meg, de a levegő lehűlésével és térfogatának csökkenésével a buborék részben összeeshet, és alakja eltorzul. Az ezen a hőmérsékleten felfújt buborékok mindig kicsik lesznek, mivel gyorsan megfagynak, és ha folytatja a felfújást, szétrepednek.

Buborék egyesítése

Amikor két buborék összeér, a lehető legkisebb felületű formát veszik fel. Közös faluk a nagyobb buborékon belül kidudorodik, mivel a kisebb buboréknak nagyobb az átlagos görbülete és nagyobb a belső nyomása. Ha a buborékok azonos méretűek, közös faluk lapos lesz.

Azokat a szabályokat, amelyeknek a buborékok összekapcsolt állapotban engedelmeskednek, a 19. században kísérletileg megállapította Joseph Plateau belga fizikus , és 1976 - ban Jean Taylor matematikailag bebizonyította.).

Azok a buborékok, amelyek nem engedelmeskednek ezeknek a szabályoknak, elvileg kialakulhatnak, de nagyon instabilak lesznek, és gyorsan felveszik a megfelelő alakot vagy összeomlanak. A viaszfogyasztás csökkentésére törekvő méhek a kaptárban lévő lépeket is 120°-os szögben kötik össze , így szabályos hatszögeket alkotnak .

Interferencia és visszaverődés

A szappanbuborékok irizáló "szivárványos" színei a fényhullámok interferenciája miatt figyelhetők meg, és a szappanfilm vastagsága határozza meg.

Amikor egy fénysugár áthalad a buborék vékony filmjén, annak egy része visszaverődik a külső felületről, létrehozva az első sugarat, míg egy másik része áthatol a fólián és visszaverődik a belső felületről, létrehozva a második sugarat. A visszaverődésben megfigyelt sugárzás színét e két sugár interferenciája határozza meg. Mivel minden fény áthaladása a filmen a film vastagságával arányos és a hullámhosszal fordítottan arányos fáziseltolódást hoz létre, az interferencia eredménye két mennyiségtől függ. Visszaverődéskor egyes hullámok fázisban adódnak, míg mások fázison kívüliek, és ennek eredményeként a filmmel ütköző fehér fény a film vastagságától függő árnyalattal visszaverődik.

Ahogy a film a víz elpárolgása miatt vékonyabbá válik, a buborék színének megváltozása figyelhető meg. A vastagabb film eltávolítja a vörös komponenst a fehér fényből, ezáltal a visszavert fény kékes-zöld árnyalatúvá válik. Egy vékonyabb film eltávolítja a sárgát (kék fényt hagyva), majd a zöldet (magentát), majd a kéket (aranysárgát hagyva). A végén a buborék fala vékonyabb lesz, mint a látható fény hullámhossza, a látható fény összes visszavert hulláma ellenfázisban összeadódik, és egyáltalán nem látjuk a visszaverődést (sötét háttér előtt a buboréknak ez a része úgy néz ki, mint egy "fekete folt"). Amikor ez megtörténik, a szappanbuborék falvastagsága kisebb, mint 25 nanométer , és a buborék valószínűleg hamarosan kipukkan.

Az interferenciahatás attól is függ, hogy a fénysugár milyen szögben éri a buborékfilmet. Így ha a falvastagság mindenhol egyforma lenne is, a buborék mozgása miatt mégis eltérő színeket figyelnénk meg. De a buborék vastagsága folyamatosan változik a gravitáció hatására, ami a folyadékot lefelé húzza, így általában különböző színű csíkokat láthatunk, amelyek fentről lefelé haladnak.

Matematikai tulajdonságok

A szappanbuborékok a minimális felületi probléma fizikai illusztrációi is , egy összetett matematikai probléma. Míg például 1884 óta ismert, hogy egy szappanbuboréknak van egy minimális felülete egy adott térfogathoz, csak 2000-ig bizonyították, hogy két egyesített buboréknak is van minimális felülete egy adott kombinált térfogathoz. Ezt a problémát kettős buboréktételnek nevezik. Ezenkívül csak a geometriai mértékelmélet megjelenésével sikerült bebizonyítani, hogy az optimális felület darabonként sima lesz , és nem végtelenül törött.

A szappanbuborék filmje mindig minimálisra csökkenti a felületét. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a folyékony film szabad energiája arányos a felületével, és hajlamos elérni a minimumot:

ahol  az anyag felületi feszültsége, és  a film teljes felülete. Egyetlen buborék optimális formája egy gömb, de több buborék együttes formája sokkal összetettebb.

Buborék show

A szappanbuborék-show egyszerre szórakoztató és művészet. A látványos buborékok létrehozása magas szintű szakértelmet kíván a művésztől, valamint azt, hogy tökéletes minőségű szappanoldatot készítsen. Egyes művészek óriási buborékokat hoznak létre, amelyek gyakran tárgyak vagy akár emberek köré tekernek. Másoknak sikerül kocka , tetraéder és más alakzatok formájában buborékokat létrehozniuk. Gyakran a vizuális hatás fokozása érdekében a buborékokat füsttel vagy éghető gázzal töltik meg, lézeres megvilágítással vagy nyílt tűzzel kombinálva.

Records

2017. március 2-án az orosz nő, Ljudmila Darina felállította a Guinness Rekordok Könyvében a „legnagyobb számú ember egy szappanbuborékban” [3]  - 374 fő rekordot. 2018. január 30-án ez a rekord az „ Oroszországi Rekordok Könyvébe ” is bekerült [4] , mint világrekord.

Fénykép rögzítése

Történelem

Plateau, Joseph az elsők között volt Európában , aki tudományosan tanulmányozta a szappanfilmek figuráit, leírta az eredményeket és megfogalmazta a nevét viselő problémát: Plateau problémáját . A legegyszerűbb megfogalmazásban a következőképpen fogalmazható meg: "keresse meg az adott zárt térbeli kontúr által határolt legkisebb terület felületét" . Fizikai megoldását is javasolta szappanfilmek segítségével.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Szappanbuborék-fagyasztás a YouTube -on
  2. ↑ M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros A kettős buborék sejtés bizonyítéka Archivált 2019. január 29-én a Wayback Machine -nél // Ann. a Math. (2), Vol. 155 (2002), 2. sz., 459-489.
  3. ↑ A legtöbb ember egy szappanbuborékban  (angolul) , Guinness World Records . Az eredetiből archiválva : 2018. március 21. Letöltve: 2018. március 20.
  4. ↑ Oroszország, Rekordok Könyve . A legtöbb ember egy szappanbuborékban (világrekord)  (lengyel) , OROSZORSZÁG REKORDOK KÖNYVE . Az eredetiből archiválva : 2018. március 20. Letöltve: 2018. március 20.

Irodalom