Поделиться
Физика вокруг нас. Мыльные пузыри.docx
Родин Илья Андреевич, студент 2 курса специальности 08.02.09 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий
Научный руководитель:
Хафизова Светлана Николаевна, преподаватель физики ГПОУ «Донецкий политехнический колледж»
Физика вокруг нас. Мыльные пузыри.
Мыльный пузырь - конструкция очень устойчивая. Если помнить о том, что его строительным материалом является главным образом вода,- устойчивость мыльного пузыря не может не поражать. Что же придаёт такую устойчивость пузырю, изготовленному из тончайшей жидкой плёнки? Предельная простота и совершенство формы? Очевидно, и это! А проще, величественнее и совершеннее формы, чем сфера, нет! Но действительно ли дело в форме? Еще английский физик лорд Кельвин говорил: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики» [1].
Актуальность: Мыльные пузыри невесомые, практически неуловимые и такие красивые. Они вдохновляют многих людей, приносят радость и удовольствие. Растворы для выдувания этого радужного чуда продаются в магазине. Но можно ли сделать мыльные пузыри в домашних условиях, из какого раствора можно получить самые большие и прочные мыльные пузыри? Решению этих вопросов будет посвящена данная работа.
Цель моего исследования: Создать мыльные пузыри в домашних условиях, провести опыты и эксперименты с мыльными пузырями, выяснить секрет устойчивости мыльного пузыря.
Объект исследования: мыльный пузырь.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
n изучить материал по теме «Мыльные пузыри»;
n узнать секреты и свойства мыльного пузыря;
n проанализировать поведение мыльного пузыря при объединении и лопании;
n рассчитать совершенную работу при выдувании мыльного пузыря максимального радиуса;
n провести измерения поверхностного натяжения одного из мыльных растворов при разных температурах.
В соответствии с задачами исследования были использованы
теоретические методы:
- методы систематизации теоретического материала,
- исследовательские методы,
- обобщение накопленного материала,
- изучение и анализ научной и публицистической литературы по проблеме исследования,
- моделирование, интерпретация полученных результатов исследования;
В соответствии с задачами исследования были использованы
теоретические методы:
- методы систематизации теоретического материала,
- исследовательские методы,
- обобщение накопленного материала,
- изучение и анализ научной и публицистической литературы по проблеме исследования,
- моделирование, интерпретация полученных результатов исследования;
Поверхностное натяжение и форма
Пузырь существует потому, что поверхность
любой жидкости 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 [2].
Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
Структура стенки
мыльного пузыря
Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной, а другая гидрофобной. Гидрофильная часть привлекается тонким слоем воды, в то время как гидрофобная, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение.
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 плёнки и обратно
пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин:
толщины пленки и длины волны. 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 [3].
Расчет совершенной работы
при выдувании мыльного пузыря максимального радиуса
Попробуем рассчитать работу, которую надо совершить, чтобы выдуть мыльный пузырь радиусом 1 метр. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора определяем по справочнику. Он составляет 40мН/м. По определению, коэффициентом поверхностного натяжения жидкости называется отношение изменения потенциальной энергии поверхностного слоя жидкости к изменению площади поверхностного слоя жидкости:
.
Значит, работа внешних сил при выдувании мыльного пузыря затрачивается на сообщение поверхностному слою жидкости избытка потенциальной энергии:
, поэтому
, 
При выдувании мыльного пузыря увеличиваются две поверхности жидкости: внешняя и внутренняя. Т. к. толщина пленки очень тонкая, ей можно пренебречь и можно считать, что:
.
Площадь
поверхности шара: 
.
Тогда увеличение поверхности жидкости составит:
.
Подставляя эту формулу в формулу работы, получаем:
.
Подставляя данные получим:
Вывод: Таким образом, был произведен расчет совершенной работы при выдувании мыльного пузыря максимального радиуса - 1 метр.
Заключение
Проводя исследование, я узнал много нового и интересного о мыльных пузырях, истории их возникновения. Мыльный пузырь - это тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Радужные цвета мыльных пузырей зависят от толщины мыльной плёнки [4]. Я узнал, что волны света, отражаясь от мыльной плёнки, смешиваются и это физическое явление называется интерференцией. А взлетают мыльные пузыри от того, что наполнены нашим горячим дыханием. Тёплый воздух в пузыре легче воздуха в комнате, поэтому пузыри летают. Но потом воздух в пузырях остывает и они опускаются.
С помощью опытов я проверил своё предположение о том, что мыльные пузыри будут замерзать на морозе. Действительно, мыльные пузыри замёрзли в морозильной камере, и на улице в безветренную погоду мне удалось заморозить на снегу мыльные пузыри при температуре -20 C.
Моя гипотеза, что мыльные пузыри могут иметь и другую форму, кроме шара, не подтвердилась. Оказалось, что силы поверхностного натяжения стремятся придать мыльному пузырю самую маленькую форму. Самая компактная форма в природе это шар. При шарообразной форме воздух внутри пузыря равномерно давит на все участки его внутренней стенки [5]. Поэтому не существует мыльных пузырей другой формы.
Умение выдувать мыльные пузыри может пригодиться для украшения любого праздника, тематического занятия, шоу.
Перечень ссылок.
Скачано с www.znanio.ru
Материалы на данной страницы взяты из открытых источников либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.
