Пузыри притягиваются или отталкиваются: Капиллярное притяжение и отталкивание . Мыльные пузыри

Опубликовано автором

Пузыри Мелоди Янг: искусство из мыла

Мелоди Янг, девушка сложной географии (родилась в Сербии, переехала в Канаду, выступает на Бродвее), всю жизнь посвятила мыльным пузырям. Возможно, она единственный человек в мире, для которого пузыри – семейный бизнес: ее родители тоже выступали с мыльными трюками, и Мелоди с братом с детства были на сцене – отец надувал огромные пузыри вокруг детей.

Сейчас Мелоди выступает с шоу «Газиллион мыльных пузырей» в Нью-Йорке и гастролирует по всему миру. На сцене, кроме собственно мыльной воды, работают дымовые машины и лазерная подсветка. Пузыри Мелоди или очень большие, или очень многочисленные, или причудливой формы – длинные цилиндры и даже кубы; они живут дольше обычного, переливаются ярче, иногда улетают вверх; артисты надувают один пузырь внутри другого, строят из них недолговечные конструкции. Все сверкает и переливается – особенно в конце представления, когда Мелоди или ее брат берутся за лазеры.

youtube

Нажми и смотри

Рекорды

Семье Мелоди принадлежит девятнадцать рекордов, официально зарегистрированных комитетом Guinness World Records: самый большой мыльный пузырь (больше 51 м в длину), самая большая группа людей (181 человек) внутри мыльного пузыря и т. п. Большую часть номинаций семья Янг придумала сама; часть рекордов они же периодически устанавливают заново.

В прессе Мелоди Янг называют «профессором мыльных пузырей» и присваивают другие научные степени, но образование у нее только сценическое, в том числе знаменитая школа актерского мастерства Ли Страсберга. Ее работа в большей степени дело навыка, отточенного за двадцать с лишним лет выступлений и репетиций. Теория на втором месте – впрочем, о том, что происходит с пузырем в воздухе, Мелоди, конечно, знает. 

Матчасть

Без земного притяжения на поверхности жидкостей за счет эффекта поверхностного натяжения формируются пленки, которые, отрываясь от стенок сосуда, принимают форму сферы. Мыльный пузырь – это тонкая пленка мыльной воды, в воздухе стремящаяся, в отсутствие ограничений, к форме сферы. На МКС можно надуть пузырь и из чистой воды, но на Земле пленка воды рвется под собственной тяжестью, поэтому для стабилизации в раствор добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Поверхностное натяжение

Молекулы воды (или мыльного раствора) на границе раздела сред находятся в особом положении. Точно такие же молекулы, но в толще жидкости, притягиваются друг к другу с одинаковой силой во всех направлениях. А вот молекулы поверхностного слоя притягиваются только к тем молекулам, которые расположены под ними, поэтому равнодействующая сил притяжения направлена вниз.Компенсируя действие этой силы, молекулы поверхностного слоя подходят друг к другу ближе остальных – так близко, что между ними начинают действовать силы взаимного отталкивания. Потенциальная энергия молекул поверхностного слоя оказывается больше, чем у тех, что в глубине; стремясь минимизировать число таких «энергичных молекул», объем жидкости принимает форму с минимальной площадью поверхности. Для трехмерного объема воды форма с минимальной площадью – это шар (капля), а если наша жидкость изначально была пленкой между краями рамки, она принимает форму полой сферы.

Эффект Марангони

Поверхностно-активные вещества стабилизируют пленку за счет переноса вещества по градиенту поверхностного натяжения. Это явление известно под названием эффекта Марангони. Мыльная пленка имеет структуру бутерброда: в центре у нее слой воды, окруженный с двух сторон слоем молекул ПАВ, гидрофильными концами обращенных в воду, а гидрофобными – наружу. Мыльные слои постоянно дрейфуют по поверхности воды, и концентрация мыла в разных частях пузыря меняется. Смена концентрации влияет на силу поверхностного натяжения: чем тоньше пленка (то есть чем меньше в ней мыла), тем сильнее стягиваются стенки пузыря, привлекая в место стягивания больше молекул ПАВ. Это и есть эффект Марангони, и ему мыльные пузыри обязаны сколько-нибудь продолжительным существованием: когда пузырь готов истончиться и порваться, к тонкому месту устремляется мыльный раствор.

Идеальный рецепт

Эффект Марангони стабилизирует мыльные пузыри – но не навсегда, в конце концов они все равно лопаются, даже если никто не протыкает пленку пальцем. Причина – испарение воды с поверхности пузыря. Поэтому первое правило составителя правильного раствора для выдувания долговечных пузырей – добавить что-нибудь, что остановит испарение. Обычно это глицерин – то же вещество, которое добавляют в крем для кожи, чтобы предотвратить ее высыхание на воздухе.

Чистая (лучше дистиллированная) вода, самое обычное жидкое мыло без отдушек, глицерин – вот рецепт основы для прочных пузырей. Соотношение придется искать опытным путем: это та часть фокуса, которую фокусник раскрыть не может. Мелоди пользуется запатентованным секретным составом, который известен только ее отцу. Коллеги Янг рекомендуют просто купить готовый раствор в интернет-магазине. Впрочем, Янг намекает, что неплохо работает сахар – возможно, за счет легкого увеличения вязкости.

Вопреки распространенному мнению, мыло не увеличивает поверхностное натяжение раствора, а, наоборот, уменьшает почти до трети поверхностного натяжения чистой воды. Гидрофобные «хвосты» ПАВ стремятся оказаться в воздухе, а гидрофильные – в воде, в результате мыло попадает на границу раздела сред, и его молекулы встраиваются между молекулами воды поверхностного слоя, ослабляя их взаимное притяжение. Его роль в формировании пузыря заключается в другом: ПАВ стабилизируют пузырь за счет эффекта Марангони.

Наука и практика 

Стремление мыльной пленки занять минимальную площадь делает мыльные пузыри интересным объектом исследования для математиков, физиков и инженеров: с помощью пузырей решают задачи о кратчайших путях между многими точками, сложные проблемы топологии, газо- и гидродинамики. До появления компьютерных моделей пузырями пользовались архитекторы для моделирования конструкций крыш, лестниц и арок. Особой любовью к мыльным моделям славился немецкий архитектор Фрай Отто: с помощью мыльной пленки он, в частности, рассчитал геометрию крыши олимпийского стадиона в Мюнхене. 

До Отто надуванием пузырей развлекались Ньютон и Фарадей: один исследовал оптические свойства мыльной пленки, которая не хуже призмы разлагает белый свет, второй изучал магнитные свойства газов. Физик надувал пузыри кислородом, хлористым аммонием, азотом и другими газами и помещал радужные сферы между полюсами магнитов. Опыты Фарадея, как отмечали биографы, были крайне деликатны и трудновоспроизводимы. С этими утверждениями соглашается и Мелоди Янг. Она отмечает, что, в отличие от других сценических трюков, работа с пузырями требует в большей степени навыков, чем знаний: нельзя просто объяснить человеку, как надуть кубический пузырь, нужно попробовать сделать это сотню раз – и даже после этого получаться будет не всегда.

Для тех, у кого запас терпения столь же велик, как стремление надуть правильный мыльный куб, Мелоди все-таки дает инструкцию. Главное – усвоить, что, хотя отдельные пузыри имеют сферические стенки, стенка соединения двух пузырей представляет собой участок плоскости. Кластер из шести пузырей примерно одинакового размера образует сложную фигуру, в центре которой получается шестигранный куб, ограниченный плоскими мыльными пленками. Чтобы его стало лучше видно, возьмите смоченную в мыльном растворе трубку и через нее наполните кубик непрозрачным газом – лучше, конечно, не табачным дымом, а специальным сценическим.

Физика мыльных пузырей – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

  • Участник: Красноруцкий Василий Евгеньевич
  • Руководитель: Зотова Татьяна Владимировна

      Тема: «Физика мыльных пузырей»

Мой учитель по физике предложила поучаствовать в конкурсе «Я учу физику». Я сразу принял это предложение, так как физика стала моим любимым предметом.

Почему я выбрал тему «Физика мыльных пузырей»?

У меня есть маленькая сестрёнка, которая любит всех удивлять. Каждый день я поражаюсь ею. И, конечно, я решил сделать для нее сюрприз!

Мыльный пузырь — тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью.

Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети.

Из истории. В 1997 г. – Фэн Янг соорудил самую большую в мире стену из мыльных пузырей высотой около 48 м и площадью 370 м2. Так, в 2007 г. он тоже попал в Книгу рекордов, надув пузырь высотой 1,5 м и шириной 3,3 м, в котором свободно разместились 50 человек.

В мыльном пузыре присутствуют 3 важных элемента:

  1. Диффузия — это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Эта тема в учебнике А.В. Перышкина за 7 класс «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах».
  2. Закон Паскаля — давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменения во всех направлениях. Эта тема в учебнике А.В. Перышкина за 7 класс «Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля».
  3. Закон Архимеда — тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в неё, погружаются всё глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своём весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объёме тел.
    Эта тема в учебнике А.В. Перышкина за 7 класс «Архимедова сила».

Остановлюсь на каждой теме и попытаюсь ее раскрыть.

Знание явления «диффузии» необходимо было мне для того, чтобы узнать, как сделать наилучший раствор для мыльного пузыря. Как же сделать лучший мыльный раствор? В ходе работы выяснил, что мне необходимы для опытов:

  1. Вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды, например жидкое мыло или детский шампунь. Чем более чистое мыло (без примесей парфюма или других добавок), тем лучший результат может получиться.
  2. Вещества, уплотняющие воду. Наиболее часто используется глицерин (который можно купить в аптеке). Также можно использовать сахар, который лучше растворять в тёплой воде. Однако плотность воды может стать слишком большой, поэтому важно соблюдать умеренность.
  3. Дистиллированная вода. Вода из-под крана содержит ионы кальция, которые связывают мыло. При использовании дистиллированной воды влияние данного эффекта на качество мыльного пузыря значительно ниже.

Это основные компоненты для создания мыльного раствора. В видеоролике будет предложено 3 раствора для мыльного пузыря.

Далее я узнал для чего мне надо знать закон Паскаля. Сейчас я смело могу сказать своей младшей сестре, что мыльный пузырь имеет форму шара, так как давление внутри жидкости или газа во всех направлениях одинаково.

И действительно, почему пузырь имеет форму шара?

Пользуясь источниками интернета, я нашёл ответ на этот вопрос — в мыльном пузыре присутствует тёплый воздух и поэтому мыльный пузырь летает, ведь тёплый воздух легче воздуха. По закону Паскаля можно утверждать, что воздух, внутри мыльного пузыря, будет передаваться во всех направлениях и поэтому пузырь имеет форму шара.

Как же выдуваются мыльные пузыри?  Почему некоторые пузыри поднимаются, а потом опускаются?

Для того чтобы выдуть мыльный пузырь необходим хороший мыльный раствор. Мы надуваем мыльный пузырь тёплым воздухом изо рта. Этим воздухом мы создаём силу выталкивания, по которой воздух выталкивает плёнку в трубочке и получается пузырь формы шара. Он поднимается, ведь, как я уже говорил, тёплый воздух легче холодного. Остывая, он опускается, ведь остывший воздух тяжелее тёплого. Здесь всё стало ясно!

Из истории: Житель Швейцарии Ханс Рудольф Сутер выдул мыльный пузырь в длину более чем на 4 метра. Впоследствии его имя было внесено в «Книгу рекордов Гиннеса».

Я задался вопросом: Почему мыльные пузыри на солнце переливаются?

Оказалось, что это можно объяснить тоже при помощи физики. Но пока это явление смог узнать информацию от учителя, так как данная тема будет рассматриваться в 8 классе.

Оказалось, что калейдоскоп цветов, которыми переливаются мыльные пузыри, вызывается сложной структурой света и тем, как он отражается от поверхности пузырей. Белый свет состоит из множества цветов, каждый из которых характеризуется собственной длиной волны. Вот так и переливаются мыльные пузыри.

Я надеюсь, что мой проект вам понравится.

При выполнении практических опытов, я помнил о правилах техники безопасности. Я учитывал, что работать с мыльным раствором надо аккуратно, чтобы он не попадал в глаза. Также, размешивая раствор в стеклянной посуде, я работал с ней осторожно.

Вот ссылка на мой видеоролик: https://drive.google.com/file/d/0Bz70DG5FOyZ9NWZhSW1SZDUwYTA/view?usp=sharing


домашнее задание и упражнения — Какие силы действуют между двумя пузырьками воздуха в воде?

Может поможет вот этот график гравитационного поля:

РЕДАКТИРОВАТЬ комментарий:

Прежде всего, вы имеете в виду электрических силовых линий, а не магнитных. И да, они выглядят одинаково, потому что они одинаковы. Основные уравнения поля идентичны (в статическом нерелятивистском пределе). Разница в том, что для гравитационных зарядов притягивают , тогда как для электрических сил подобных зарядам оттолкнуть .

Возможно, сюжет не совсем ясен. Имейте в виду, что этот график представляет собой силу, действующую на жидкость

, а не на пузырьки. Вы должны были убрать, что жидкость между пузырьками вытекает из пространства, а пузырьки сближаются. 😉

Чтобы действительно правильно решить эту задачу, вам нужны некоторые предположения о жидкости: а именно, что у нее есть поверхностное натяжение для стабилизации пузырьков, а также что поток несжимаем (иначе вам нужно везде отслеживать плотность, и она становится действительно ужасный). Вам также нужно поместить систему в коробку (это может быть гигантская коробка — ее размер, в конце концов, не имеет большого значения), просто чтобы избежать двусмысленности, связанной с наличием бесконечной массы жидкости. При этих предположениях можно утверждать, что пузыри не могут расширяться, а также любой поток из одной области должен уравновешиваться потоком в другую область.

Я полагаю, вы еще не достигли точки понимания теории поля. Возьмите это как иллюстрацию того, что существует

сложных способов решения простых задач . Преимущество теории поля в том, что она гораздо более общая и мощная для других задач. Но для этого он вам особо и не нужен — аргумент «отрицательная масса» дает вам правильный ответ. Но это может вселить в вас уверенность в том, что приведенный аргумент об «отрицательной массе» верен. На самом деле, это лучше, потому что нам вообще не нужно ссылаться на «отрицательную массу» — мы просто говорим о жидкости.

Если исходить из вышеизложенного, что пузыри не меняют ни форму, ни размер, то решить проблему можно очень просто. Все, что вам нужно знать, это то, что гравитационный потенциал пузыря равен

$$ \phi(r) \propto \frac{1}{r}, $$

с положительным знаком вне пузыря и

$$ \phi(r) = \text{константа}, $$

внутри пузыря. Если вы знаете уравнение Пуассона для гравитационного поля, вы можете вывести его. Вы получаете общий потенциал, складывая потенциалы, созданные двумя пузырьками.

Вам также необходимо знать гравитационную энергию небольшой порции жидкости объемом $\Delta V$, равной

$$ \Delta U = \phi(x,y,z) \rho(x,y,z) \Delta V, $$

где $\rho(x,y,z)$ — плотность, который постоянен везде за пределами пузыря и равен нулю внутри. Вы суммируете энергию для каждой части жидкости («вычисляете интеграл»), чтобы получить общую энергию, и смотрите, увеличивается она или уменьшается по отношению к увеличению расстояния между пузырьками. Система, естественно, будет двигаться в направлении уменьшения полной энергии.

Так как же выглядит энергия? Здесь (единицы энергии произвольны, единицы длины указаны в радиусах пузырьков):

При расстоянии менее 2 радиусов пузыри пересекаются, поэтому вы больше не можете доверять расчетам — ведь пузыри начинают менять форму при столкновении! Но для больших расстояний расчет в порядке, и смотрите, энергия увеличивается. Таким образом, чтобы разорвать пузыри, требуется энергия. Пузыри притягиваются друг к другу!

Тот факт, что почти такие же вычисления, сделанные для электромагнетизма, дают заряды, которые отталкивают друг друга, является интересным и важным ключом к разнице между двумя теориями. Если вы действительно очень заинтересованы, вы можете решить эту проблему в один прекрасный день.

гидродинамика — Почему два пузырька, плавающие на поверхности воды, будут притягиваться друг к другу?

$\begingroup$

Два одинаковых пузырька, плавающие на поверхности воды, образуют комки согласно «эффекту ура». Но какие подробности о силе? Нужно вычислить форму поверхности воды, чтобы найти силу?

  • гидродинамика
  • поверхностное натяжение
  • взаимодействия
  • пузырьки

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Велла и Махадеван объясняют эффект следующим образом:

Для простоты считаем последний случай схематично показан на рис. 2, хотя объяснение скопления многих пузырей аналогично. Здесь граница раздела воздух–вода значительно искажена наличие на стенке известного эффекта мениска, и поскольку пузырь находится на плаву, существует результирующая восходящая сила. под действием силы тяжести Fg на пузыре. Потому что это стеснено лежать на границе раздела, однако пузырь не может просто подняться по вертикали, и вместо этого делает следующий лучший шаг, перемещая вверх по мениску. [………] Один пузырек деформирует интерфейс так же, как присутствие стены делает, хотя и по другой причине и к меньшей степени. В случае пузыря он может оставаться только на уровне интерфейс, потому что сила плавучести, которая стремится вытолкнуть пузырек из жидкости, уравновешивается сила поверхностного натяжения, препятствующая деформации интерфейс и, следовательно, удерживает пузырек в жидкости. Эти два конкурирующих эффекта достигают компромисса, когда пузырек частично вышел из жидкости, но поверхность раздела слегка деформируется. Эта деформация достаточно значительна. воздействовать на другие пузыри рядом, которые движутся вверх по мениски и так спонтанно агрегатируются. 92_c}$, $L_c=\sqrt{\gamma/\rho g}$, $\Sigma$ безразмерный весовой параметр Архимеда и $K_1$ функция Бесселя первого порядка.