Введение. Актуальность проблемы

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики»

                                               У. Кельвин 

В науке есть немало "мыльных пузырей", вот-вот готовых лопнуть под натиском опытных данных. Взять ту же теорию раздувающейся Вселенной и Большого взрыва, по которой наш мир, некогда лопнув, стал раздуваться, как мыльный пузырь, что ныне противоречит многим наблюдениям. Впрочем, исследует наука и те мыльные пузыри, что приносят реальную пользу. Такие пузыри все мы пускали ещѐ малышами. Детские, на первый взгляд, развлечения, не обходят стороной серьѐзных учѐных. Архимеда привлекали опыты по погружению собственного тела в ванну, Галилей бросал камешки с башни, Кориолис изучал катание шаров по бильярдному столу, Кеплер не на шутку был озабочен стереометрией винных бочек, Фарадей написал целый манускрипт о горении свечи, а Льюис Кэрролл в детской сказке изложил мировоззрение квантовой механики. Многие, если не все великие открытия, имеют в основе пустяковые интересы. Вроде и несерьѐзная это вещь – мыльный пузырь и пена, а вон, какую роль играет в науке и технике [2, с.5].   А ведь есть ещѐ и такой загадочный феномен, как антипузыри и плавающие капли. Все эти близкие объекты изучаются давно, однако законченного и общепринятого объяснения они пока не нашли. Даже во взглядах на мыльные пузыри, плѐнки и пены, природу их устойчивости учѐные до сих пор расходятся. Одни полагали, что всѐ дело в большой объѐмной вязкости мыльного раствора, другие сочли причиной устойчивости плѐнок его низкое поверхностное натяжение [8,с.420]. Третьи усмотрели главную причину в эластичности монослоя ПАВ и связанной с ним большой поверхностной вязкости мыльного раствора. Четвѐртые сочли, что в мыльных плѐнках возникает упорядоченная структура. Пятые думали, что монослой стабилизирует мыльные пузыри и пены, уменьшая испарение жидкости из плѐнки. Шестые сводили всѐ к электрическому взаимодействию (отталкиванию) между граничными слоями плѐнок. Седьмые главным считали расклинивающее давление в тонких жидких слоях.  Приводили и другие причины, а также различные сочетания перечисленных, что, впрочем, не проясняло, а скорее запутывало картину: ведь не было однозначного объяснения [6, с.140].  Из многих факторов, лишь продляющих жизнь мыльных плѐнок, следовало выбрать один такой, без которого само существование пен, пузырей и подобных им образований было бы невозможно.    Исследование мыльных плѐнок, и особенно таких загадочных объектов как антипузыри и плавающие капли,  интерес представляет отнюдь не праздный. Недаром ими в последнее время всерьѐз заинтересовались учѐные за рубежом [3, с.6]. Понимание причин устойчивости этих образований позволит управлять стабильностью коллоидных систем (эмульсий, пен, золей), решив тем самым важную для многих областей науки и производства задачу. Основываясь на лѐгком скольжении плавающих капель, антипузырей и антипен, предлагают создать новые типы подшипников и смазочных материалов [3, с.9]. А тонкие и протяжѐнные щелевые "туннели" между каплями антипены хотят использовать в качестве газовых фильтров. Но пока эти и другие разработки упираются в нестабильность, недолговечность  мыльных пузырей, антипузырей и антипен [3, с.12]. 

В 10 классе на уроке физики мы кратко знакомились со свойствами жидкостей: поверхностным натяжением и вязкостью. Поэтому я решил исследовать зависимость качества мыльных пузырей (их устойчивость и размер) от этих характеристик.   К тому же мне просто интересно было узнать историю мыльного пузыря и применение мыльных пузырей в различных сферах. Изучив имеющуюся литературу о мыльных пузырях,  обратил внимание, что о поверхностном натяжении и его влиянии на образование мыльного пузыря написано очень много. А вот вопрос о зависимости  качества мыльных пузырей от вязкости жидкости рассматривается очень редко, практически не рассматривается. Вязкость – внутреннее трение. Чем больше вязкость жидкости, тем большее сопротивление движению она создаѐт.  Такое свойство жидкостей как вязкость  не изучается в курсе физики средней школы.  Из всех учебников физики, имеющихся в библиотеке нашей школы, только в учебнике Анциферова Л.И. эта тема рассматривается подробно, и предлагается метод экспериментального определения динамической вязкости жидкости. 

Цели моей работы: Определить  динамическую вязкость жидкостей для надувания мыльных пузырей, выявить время жизни мыльного пузыря и его размер  в зависимости от коэффициента вязкости.

Задачи исследования: 

1.      Знакомство с историей мыльного пузыря.

2.      Изучение строения и формы мыльного пузыря.

3.      Подбор рецептов изготовления качественных мыльных пузырей  в домашних условиях.

4.      Изготовление прибора для определения вязкости жидкостей.

5.      Определение  коэффициента динамической вязкости выбранных растворов.

6.      Проведение эксперимента (надувание мыльных пузырей), определение «времени жизни»  мыльного пузыря, определение максимального размера мыльного пузыря.

7.      Выводы.

                                    Глава I. История мыльного пузыря.

Одним из самых фундаментальных трудов по  теме мыльных пузырей  является книга известного английского учѐного Чарльза Бойса с одноимѐнным названием, составленная более чем сто лет тому назад и являющаяся не только забавной книжкой для детей, но и настольным пособием для физиков-теоретиков и экспериментаторов. Одних патентов на выдувание мыльных пузырей к настоящему времени выдано многие тысячи. Пузыри, как феномен природы существовали всегда, но они  не могли возникнуть раньше мыла.   На первоначальном этапе развития общества  у людей появилась необходимость быть красивыми и … чистыми! Тогда и было создано удивительное физическое вещество, такое, как мыло! Этому открытию никак не меньше 5 тысяч лет. А вот кому стоит отдать пальму первенства изобретателя, как всегда, спорный. Но самая известная теория, объясняющая появление мыла, довольно убедительно доказывает, что это средство  возникло случайно, как и большинство изобретений древности. Дело в том, что представители древних племѐн в торжественных случаях умащивали себя жиром, а в скорбные минуты посыпали головы пеплом. А  мыло собственно, и представляет собой смесь жиров и щелочных солей, из этого легко можно сделать вывод, что в один прекрасный день после дождичка их выпачканные жиром и золой волосы становятся вдруг мягкими и шелковистыми. Им, разумеется, это понравилось. 

Ещѐ на картинах фламандских художников 18 века часто встречались изображения детей, выдувающих мыльные пузыри через глиняную соломинку. В 18 и 19 веках дети выдували мыльные пузыри, используя мыльную воду, оставшуюся после стирки. Выдувание мыльных пузырей приобрело ещѐ большую популярность, когда в 1886 году Pears Soap Company начала рекламу своего «воздушного» продукта, воспользовавшись знаменитой картиной Джона Миллеса (1829-1896) «Пузыри». (Приложение 3)

 Существующий  миф о недолговечности мыльного пузыря развеял англичанин Джеймс Дьюар, законсервировавший мыльный пузырь в герметичном сосуде с

двойными стенками на срок более месяца. Забава оказалась полезной: позднее дьюар - сосуд, названный в честь изобретателя, — нашел применение для хранения и перевозки жидкого азота. Преподавателю физики из штата Индиана удалось сохранить пузырь в стеклянной банке в течение 340 дней. 

Глава II.  Строение  мыльного пузыря

В нём столько блеску было, была такая спесь, а он  воды и мыла раздувшаяся смесь.

                                                                                                                               Самуил Маршак 

  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 придает такую устойчивость пузырю, изготовленному из тончайшей жидкой пленки. Дело явно не только в форме: из чистой

воды устойчивый пузырь не получается, а из воды с добавкой мыла формируется тонкий, устойчивый, разноцветный пузырь. Прямым следствием самых общих законов природы оказывается явление адсорбции. Оно

Рисунок 1

заключается в том, что на поверхности и твердых тел, и жидкостей

охотно располагаются (адсорбируются) поверхностно-активные молекулы, которые способны понижать поверхностную энергию.  Откуда приходят молекулы, адсорбирующиеся на поверхности твердого тела и жидкости? Во-первых, — из объема вещества, если они там имеются в виде случайно попавшей или преднамеренно введенной примеси. Адсорбирующиеся молекулы могут осесть на поверхности из окружающей газовой среды. Молекула ПАВ (в нашем случае — мыло) — это удлиненная цепочка, состоящая из многих атомов водорода и углерода. Такая молекула-цепочка обладает одной очень важной особенностью — концы еѐ имеют различную структуру и по-разному относятся к соседству с водой: один конец охотно соединяется с водой (гидрофильный), а противоположный инертен по отношению к воде (гидрофобный). Именно поэтому молекулы мыла на поверхности воды должны выстроиться так, чтобы с водой соприкасались лишь гидрофильные концы. Прямыми измерениями было установлено, что адсорбция мыла на поверхности воды понижает ее поверхностное натяжение в два с половиной раза: от 7*10^-2 до 3*10^-2 Дж/м ². Разность двух этих значений является мерой того, насколько охотно формируется частокол из молекул мыла на поверхности воды, т.е. насколько в нашем случае энергетически целесообразна адсорбция.  Вода, налитая в стакан, имеет одну свободную поверхность и на ней может образоваться один слой молекул мыла. А свободная пленка имеет две поверхности и, следовательно, на ней может сформироваться два частокола удлиненных молекул мыла. Такая водяная пленка, обрамленная и укрепленная молекулами мыла, и является строительным материалом, из которого сконструирован и построен мыльный пузырь. 

Глава III. Определение вязкости составов и выявление зависимости от неѐ времени жизни и размеров мыльных пузырей.

В Интернете предлагается очень большое количество  рецептов мыльных пузырей, но состав во многих рецептах повторяется. Основными компонентами многих рецептов являются: шампунь, сахарный сироп, глицерин, вода, желатин, хозяйственное мыло, жидкость для мытья посуды.  Все компоненты взаимозаменяемы. Я остановил свой выбор на  четырѐх составах:

 Вязкость составов №1 - №4 будем сравнивать с вязкостью состава, содержащего стиральный порошок- 1 чайная ложка+100 мл воды дистиллированной (состав №0).

Вязкость - это способность оказывать сопротивление перемещению одной части относительно другой - то есть как внутреннее трение.  Вещества с малой вязкостью - текучи, и наоборот, сильно вязкие вещества могут иметь значительную механическую твердость, как, например, стекло. 

Для определения вязкости жидкости применим прибор, изготовленный по схеме, представленной в учебнике Л.И. Анциферова «Физика. 10 класс».Издательство

«Мнемозина».  (рис.2-3)

Рисунок 2                                                                          Рисунок 3

Прибор представляет собой двойной алюминиевый стакан, между стенками которого находится исследуемая жидкость. В жидкости вращается цилиндр Ц, укреплѐнный на оси О. На этой же оси укреплѐн барабан Б, на который наматывается нить, вращающая цилиндр под действием опускающегося груза Г [1,c.200]. 

Груз Г под действием силы тяжести опускается вниз и при равномерном движении тянет нить с той же силой. Эта сила приложена к барабану Б по касательной и создаѐт момент силы mgr, где r-радиус барабана. Сила, действующая  со стороны жидкости на цилиндр, распределена по всей поверхности цилиндра, находящейся в жидкости, и препятствует его движению. На каждую маленькую площадку поверхности цилиндра действует сила f_i, направленная  в сторону, противоположную движению, по касательной к поверхности цилиндра, создавая момент силы f_iR. Можно записать: FR= fiR , где  F рассматривается как сила внутреннего трения, FR- момент силы, R- радиус цилиндра Ц. При равномерном вращении цилиндра моменты сил должны быть равны FR=mgr, откуда   F . 

Изменением массы груза можно изменить скорость вращения цилиндра, что приводит к изменению силы F.  Сила F зависит от модуля скорости вращения цилиндра v, от площади соприкосновения цилиндра с жидкостью - S , от расстояния между цилиндром и стенками стакана. Обозначим через L расстояние между цилиндром и одной из стенок стакана: L=1/2CC₁

Нас будет интересовать площадь поверхности части цилиндра, погруженной в жидкость. Эту площадь можно подсчитать по формуле S=2Rh, где h расстояние от края цилиндра до поверхности жидкости. Скорость будем измерять следующим способом: на барабан можно наматывать определенное количество витков N. При опускании груза быстро устанавливается равномерное движение, при котором можно по секундомеру  определить время t и подсчитать частоту вращения , а затем и скорость v=2R. Связь между

величинами      F,v,S,L     подтверждена     экспериментально:           F.     Коэффициент

пропорциональности , зависящий от природы и состояния жидкости называют вязкостью жидкости. Оказывается, что при изменении скорости вращения, площади поверхности цилиндра, расстояния между стенками цилиндра и стакана изменяется сила сопротивления движению цилиндра, а вязкость не меняется. Единица вязкости - 1Н* с/м².

 – формула для определения вязкости

Проведѐм экспериментальное исследование вязкости растворов:

F , 52 Н

Определим относительные  погрешность измерения силы вязкого трения, площади поверхности цилиндра, погруженной в жидкость, скорости движения цилиндра:

_F 0,01*100%=1%;          F=0,52*0,01=0,005 ,   F=0,52+-0,005

_s =1,7%;     S=0,0314*0,017=0,0005,            S=0,0314+-0,0005

_v =0,2% ;       v=15,7*0,002=0,03,              v=15,7+-0,03

_L =15%       L=0,01*0,15= 0,0015,          L=0,01+-0,0015

Измеренные величины и абсолютные погрешности прямых измерений:

Сила   измеряется     динамометром,         радиусы         цилиндра       и          барабана         измеряем штангенциркулем.

mg=0,05+0,05=0,1 Н, R=0,05+0,05=0,1 мм  =0,0001 м ,  r=0,05+0,05=0,1 мм  =0,0001 м, 

L=1,5 мм=0,0015 м,  h=1,5 мм=0,0015 м

Рассчитаем, в каких пределах находится вязкость состава №0:

0,515<F<0,525,   0,0309<S<0,0319,  15,67<v< 15,73,         0,0085  <L<  0,0115

Нижняя  граница   Па*с.        Верхняя граница          Па*с.

Значение вязкости, полученное в эксперименте,  находится в интервале: 

0,009<0,011<0,012

Вязкости составов, полученные экспериментально превышают вязкость воды (10^-3 Па*с), но гораздо меньше вязкости глицерина. Вязкость состава №4 (0,1 Па*с) близка к табличной вязкости глицерина (0,15 Па*с).

Определим среднее время жизни мыльных пузырей, полученных из составов №0-№4

          (см. приложение 1)

Размер мыльного пузыря, диаметр  ( в мм)

            (см. приложение 1)

Заключение. Выводы по результатам работы.

В результате проведѐнного эксперимента выяснил:

1.      Время жизни мыльных пузырей из растворов,  имеющих большую вязкость,  значительно превышает время жизни пузырей из растворов  с низкой вязкостью.

2.      Пузыри из растворов с низкой вязкостью раствора более лѐгкие, воздушные,

легко отрываются от соломинки, но быстро лопаются.

3.      Пузыри из составов с  большой вязкостью имеют большие диаметры,

сохраняются относительно долго, но плохо перемещаются в воздухе. 

4.      Из вязких составов (№3-4)  можно составлять различные объекты - матрѐшки, черепашки, цветочки.  (Приложение 2)

5.      Вязкость состава для мыльных пузырей оказывает значительное влияние на размер и время жизни  мыльного пузыря. 

                                        Объяснение устойчивости мыльных пузырей

Ещѐ Ньютон наблюдал медленное "сползание" интерференционных колец по стенкам мыльного пузыря (рис. 4), служившее признаком утоньшения плѐнки за счѐт стекания жидкости. И уже Ньютон понял, что у мыльных пузырей всѐ дело в вязкости среды, текущей между сходящимися границами плѐнки: вязкое трение тормозит их сближение. 

цветными полосами.

Можно сделать вывод, что мыльные плѐнки существуют благодаря торможению их границами стекающего мыльного раствора, для чего необходима жѐсткость этих границ. Поэтому основой жизни пузырей надо, видимо, считать высокую эластичность и большую поверхностную вязкость монослоѐв ПАВ, ведущих себя подобно резиновой плѐнке. Они способны растягиваться и упруго сокращаться, текут же с большим трудом [6, с. 48], [8, с. 418]. Неподвижная, скованная монослоем поверхность жидкости тормозит идущие вдоль неѐ потоки, стабилизируя мыльные пузыри (рис. 6).

Рисунок 6

Схема вязкого течения среды, заключѐнной меж двух монослоѐв

Остается теперь выяснить, зачем в раствор для мыльных пузырей вводят мыло и другие поверхностно-активные вещества. Здесь их роль состоит не в уменьшении поверхностного натяжения (как иногда считают), а в создании той самой пленки, монослоя из молекул ПАВ на границе жидкости. Жидкие поверхности пузырей, антипузырей и плавающих капель, в отличие от стенок стеклянных пластин, не могли бы затормозить протекающую между ними среду, а увлекались бы вслед за ней, не будь на них слоя молекул ПАВ.  Слой этот ведет себя уже не как жидкость, а скорее как твердое тело, точнее, как резиновая пленка - он может упруго растягиваться и сжиматься, но практически не течет и потому сильно тормозит идущие вдоль него потоки жидкости. Древние греки неосознанно пользовались этим свойством. Испуганные сильным волнением моря, мореплаватели опрокидывали в него бочку оливкового масла, пытаясь "умаслить" Посейдона. Масло, растекаясь по обширной площади (все видели тонкие радужные пленки масла или нефти), образовывало на границе с водой тончайший монослой, гасящий, точно резиновый демпфер, движение волн и не дающий им разгуляться. 

Итак, мыльные пузыри тем стабильней, чем выше поверхностная вязкость образующей их жидкости. Если у мыльного раствора вязкость заметная, то он течет медленно, и пузырь живет минуты, а то и часы. Недаром плавающие капли и пузыри из воды и других жидкостей, содержащих лишь следовые количества ПАВ, живут крайне мало.

Исключение составляют вязкие жидкости, слабо увлекаемые током воздуха – ртуть, масла и сиропы.

Литература

1.      Анциферов Л.И. Физика: механика, термодинамика и молекулярная физика. 10 кл.:Учеб.для общеобразоват.учреждений.-М.:Мнемозина, 2001

2.      Гегузин Я.  Пузыри . М.: Наука, 1987.

3.      Зайцева А. Антипузыри // Наука и жизнь, №12,2004.

4.      Касьянов В.А. Физика.10 кл.: учеб. для общеобразоват.учреждений.-М.: Дрофа, 2005.

5.      Павлов-Верѐвкин B.C.  Мыльные  антипузыри // Химия и жизнь, №11, 1966.

6.      Иванов И.Б., Платиканов Д.Н. Коллоиды. Л.: Химия, 1975.

7.      Поверхностные силы в тонких плѐнках и устойчивость коллоидов. М.: Наука, 1974.

8.      Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1979.

9.      Семиков  С. Про каплю на воздушной подушке // Наука и жизнь, №8, 2005.

10.  Семиков С. Мыльные пузыри в науке.// Инженер, №4, 2007г.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1. Диаграммы экспериментальных исследований.

Вывод: Чем больше вязкость состава для мыльных пузырей, тем устойчивее и больше в диаметре мыльный пузырь. 

ПРИЛОЖЕНИЕ №2. Иллюстрации к выводам по работе.

ПРИЛОЖЕНИЕ №3. . Иллюстрации к тексту доклада.