Mýdlová bublina

Mýdlová bublina  je tenký vícevrstvý film mýdlové vody naplněný vzduchem, obvykle ve formě koule s duhovým povrchem . Mýdlové bubliny obvykle trvají jen několik sekund a prasknou při dotyku nebo samovolně. Často je používají ve svých hrách děti .

Díky křehkosti se mýdlová bublina stala synonymem pro něco atraktivního, ale prázdného a krátkodobého. Někdy jsou akcie na nových trzích přirovnávány k mýdlovým bublinám, v případě umělé inflace jejich hodnoty se jim říká „nafouknuté“.

Struktura stěny mýdlové bubliny

Bublinový film se skládá z tenké vrstvy vody vložené mezi dvě vrstvy molekul, nejčastěji mýdla. Tyto vrstvy obsahují molekuly, z nichž jedna část je hydrofilní a druhá hydrofobní . Hydrofilní část je přitahována tenkou vrstvou vody, zatímco hydrofobní část je naopak vytlačována. V důsledku toho se vytvářejí vrstvy, které chrání vodu před rychlým odpařováním a také snižují povrchové napětí .

Fyzické základy

Povrchové napětí a tvar

Bublina existuje, protože povrch jakékoli kapaliny (v tomto případě vody) má určité povrchové napětí , díky kterému se povrch chová jako něco elastického . Bublina tvořená pouze vodou je však nestabilní a rychle praskne. Aby se stabilizoval jeho stav, některé povrchově aktivní látky , jako je mýdlo, jsou rozpuštěny ve vodě. Častou mylnou představou je, že mýdlo zvyšuje povrchové napětí vody. Ve skutečnosti dělá pravý opak: snižuje povrchové napětí asi na třetinu v porovnání s čistou vodou. Když je mýdlový film natažen, koncentrace molekul mýdla na povrchu klesá, což zvyšuje povrchové napětí . Mýdlo tedy selektivně posiluje slabé oblasti bubliny a brání jim v dalším roztahování. Kromě toho mýdlo zabraňuje odpařování vody, čímž se životnost bubliny ještě prodlužuje.

Kulovitý tvar bubliny je také získán díky povrchovému napětí . Tažné síly tvoří kouli , protože koule má nejmenší povrch pro daný objem. Tento tvar může být značně deformován prouděním vzduchu a samotným procesem nafukování bublin. Pokud se však bublina nechá plavat v klidném vzduchu, její tvar se velmi brzy přiblíží kulovému.

Mrazivé bubliny

Existují důkazy o zamrzání mýdlových bublin při teplotách kolem -10 °C [1] . Aby bublina při mrazu nepraskla, doporučuje se nafouknout mýdlovou bublinu vzduchem o venkovní teplotě (například rychlým pohybem kroužku), nikoli teplým vzduchem z úst.

Pokud bublinu nafouknete při -15 ° C , při kontaktu s povrchem zmrzne. Vzduch uvnitř bubliny bude postupně unikat a nakonec se bublina zhroutí svou vlastní vahou.

Při -25°C bublinky ve vzduchu zmrznou a při dopadu na zem se mohou rozbít. Pokud při této teplotě nafouknete bublinu teplým vzduchem, zmrzne v téměř dokonalém kulovém tvaru, ale jak se vzduch ochlazuje a zmenšuje svůj objem, může se bublina částečně zhroutit a její tvar se zdeformuje. Bubliny nafouknuté při této teplotě budou vždy malé, protože rychle zmrznou, a pokud je budete dále nafukovat, prasknou.

Sloučení bublin

Když se dvě bubliny spojí, získají tvar s co nejmenší plochou. Jejich společná stěna se vyboulí uvnitř větší bubliny, protože menší bublina má větší střední zakřivení a větší vnitřní tlak. Pokud jsou bubliny stejně velké, jejich společná stěna bude plochá.

Pravidla, kterým se bubliny při propojení podřizují, byla experimentálně stanovena v 19. století belgickým fyzikem Josephem Plateauem a matematicky prokázána v roce 1976 Jeanem Taylorem .).

Bubliny, které nedodržují tato pravidla, se v zásadě mohou tvořit, ale budou vysoce nestabilní a rychle získají správný tvar nebo se zhroutí. Včely , které se snaží snížit spotřebu vosku , spojují plásty v úlech také pod úhlem 120° , čímž tvoří pravidelné šestiúhelníky .

Rušení a odrazy

Duhové "duhové" barvy mýdlových bublin jsou pozorovány v důsledku interference světelných vln a jsou určeny tloušťkou mýdlového filmu.

Když paprsek světla prochází tenkým filmem bubliny, jeho část se odráží od vnějšího povrchu a vytváří první paprsek, zatímco další část proniká filmem a odráží se od vnitřního povrchu a vytváří druhý paprsek. Barva záření pozorovaného v odrazu je určena interferencí těchto dvou paprsků. Protože každý průchod světla filmem vytváří fázový posun úměrný tloušťce filmu a nepřímo úměrný vlnové délce, závisí výsledek interference na dvou veličinách. Při odrazu se některé vlny přidávají ve fázi, zatímco jiné jsou mimo fázi, a v důsledku toho se bílé světlo srážející se s filmem odráží s odstínem v závislosti na tloušťce filmu.

Jak se film stává tenčím v důsledku odpařování vody, lze pozorovat změnu barvy bubliny. Silnější film odstraní červenou složku z bílého světla, čímž se odražené světlo změní na modrozelený. Tenčí film odstraňuje žlutou (zanechává modré světlo), poté zelenou (zanechává purpurovou) a poté modrou (zanechává zlatožlutou). Nakonec se stěna bubliny stane tenčí, než je vlnová délka viditelného světla, všechny odražené vlny viditelného světla se sčítají v protifázi a odraz přestaneme vůbec vidět (na tmavém pozadí vypadá tato část bubliny jako "Černá skvrna"). Když k tomu dojde, tloušťka stěny mýdlové bubliny je menší než 25 nanometrů a bublina pravděpodobně brzy praskne.

Interferenční efekt závisí také na úhlu, pod kterým světelný paprsek dopadá na bublinkovou fólii. I kdyby tedy tloušťka stěny byla všude stejná, stále bychom díky pohybu bubliny pozorovali různé barvy. Ale tloušťka bubliny se neustále mění vlivem gravitace, která táhne kapalinu ke dnu, takže obvykle můžeme vidět pruhy různých barev, které se pohybují shora dolů.

Matematické vlastnosti

Mýdlové bubliny jsou také fyzikální ilustrací problému minimálního povrchu , složitého matematického problému. Například, zatímco od roku 1884 je známo, že mýdlová bublina má minimální povrchovou plochu pro daný objem, teprve v roce 2000 bylo prokázáno, že dvě sloučené bubliny mají minimální povrchovou plochu pro daný kombinovaný objem. Tento problém se nazývá teorém o dvojité bublině. Také pouze s příchodem teorie geometrických rozměrů bylo možné prokázat, že optimální povrch bude po částech hladký a ne nekonečně rozbitý.

Film mýdlové bubliny má vždy tendenci minimalizovat její povrch. To je způsobeno skutečností, že volná energie kapalného filmu je úměrná jeho povrchu a má tendenci dosáhnout minima:

kde  je povrchové napětí látky a  je celková plocha povrchu filmu. Optimální tvar pro jednu bublinu je koule, ale více bublin spojených dohromady má mnohem složitější tvar.

Bublinová show

Show s mýdlovými bublinami je zábava i umění. Vytváření efektních bublin vyžaduje od umělce vysokou zručnost a také schopnost připravit mýdlový roztok dokonalé kvality. Někteří umělci vytvářejí obří bubliny, které často obklopují předměty nebo dokonce lidi. Jiným se daří vytvářet bubliny v podobě krychle , čtyřstěnu a dalších tvarů. Často, aby se zlepšil vizuální efekt, jsou bubliny naplněny kouřem nebo hořlavým plynem v kombinaci s laserovým osvětlením nebo otevřeným ohněm.

Záznamy

2. března 2017 vytvořila Ruska Ljudmila Darina rekord v Guinessově knize rekordů „Největší počet lidí uvnitř mýdlové bubliny“ [3]  – 374 lidí. Dne 30. ledna 2018 byl tento rekord také zařazen do „ Ruské knihy rekordů “] [4] jako světový rekord.

Záznam fotografie

Historie

Plateau, Joseph byl jedním z prvních v Evropě , kdo vědecky studoval postavy z mýdlových filmů, popsal výsledky a formuloval problém, který nese jeho jméno: Plateauův problém . V nejjednodušší formulaci to lze formulovat takto: „najít povrch nejmenší plochy ohraničený daným uzavřeným prostorovým obrysem“ . Navrhl i jeho fyzikální řešení pomocí mýdlových filmů.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Zmrazení mýdlových bublin na YouTube
  2. ↑ M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros Důkaz domněnky o dvojité bublině Archivováno 29. ledna 2019 na Wayback Machine // Ann. matematiky. (2), sv. 155 (2002), č. 2, 459-489.
  3. ↑ Většina lidí uvnitř mýdlové bubliny  (anglicky) , Guinessovy světové rekordy . Archivováno z originálu 21. března 2018. Staženo 20. března 2018.
  4. ↑ Rusko, Kniha rekordů . Největší počet lidí uvnitř mýdlové bubliny (světový rekord)  (polský) , KNIHA REKORDŮ RUSKA . Archivováno z originálu 20. března 2018. Staženo 20. března 2018.

Literatura