Bule de sapun

Un balon de săpun  este o peliculă subțire multistrat de apă cu săpun umplută cu aer, de obicei sub forma unei sfere cu o suprafață irizată . Baloanele de săpun durează de obicei doar câteva secunde și izbucnesc când sunt atinse sau spontan. Ele sunt adesea folosite în jocurile lor de către copii .

Datorită fragilității balonului de săpun a devenit sinonim cu ceva atractiv, dar gol și de scurtă durată. Uneori , stocurile de pe piețele noi sunt comparate cu bule de săpun, în cazul inflației artificiale a valorii lor, acestea sunt numite „umflate”.

Structura peretelui cu bule de săpun

Filmul cu bule constă dintr-un strat subțire de apă, plasat între două straturi de molecule, cel mai frecvent săpun. Aceste straturi conțin molecule, dintre care o parte este hidrofilă și cealaltă hidrofobă . Partea hidrofilă este atrasă de un strat subțire de apă, în timp ce partea hidrofobă, dimpotrivă, este împinsă în afară. Ca rezultat, se formează straturi care protejează apa de evaporarea rapidă, precum și reduc tensiunea superficială .

Fundamente fizice

Tensiune superficială și formă

Bula există deoarece suprafața oricărui lichid (în acest caz, apa) are o anumită tensiune superficială , ceea ce face ca suprafața să se comporte ca ceva elastic . Cu toate acestea, un balon format numai din apă este instabil și izbucnește rapid. Pentru a-și stabiliza starea, unii agenți tensioactivi , cum ar fi săpunul, sunt dizolvați în apă. O concepție greșită comună este că săpunul crește tensiunea superficială a apei. De fapt, face exact invers: reduce tensiunea superficială la aproximativ o treime din cea a apei pure. Când o peliculă de săpun este întinsă, concentrația de molecule de săpun de pe suprafață scade, crescând tensiunea superficială . Astfel, săpunul întărește selectiv zonele slabe ale bulei, împiedicându-le să se întindă mai mult. În plus, săpunul previne evaporarea apei, prelungind astfel durata de viață a bulelor.

Forma sferică a bulei se obține și datorită tensiunii superficiale . Forțele de tensiune formează o sferă deoarece o sferă are cea mai mică suprafață pentru un volum dat. Această formă poate fi distorsionată semnificativ de curenții de aer și de procesul de umflare a bulelor în sine. Cu toate acestea, dacă bula este lăsată să plutească în aer nemișcat, forma ei va deveni foarte curând aproape sferică.

Înghețarea bulelor

Există dovezi ale înghețului bulelor de săpun la temperaturi de aproximativ -10 °C [1] . Pentru a preveni spargerea bulei atunci când îngheață, se recomandă umflarea balonului de săpun cu aer la temperatura exterioară (de exemplu, prin mișcarea rapidă a inelului), și nu cu aer cald din gură.

Dacă umflați o bula la -15 ° C , aceasta va îngheța la contactul cu suprafața. Aerul din interiorul bulei se va scurge treptat și în cele din urmă bula se va prăbuși sub propria greutate.

La -25°C, bulele îngheață în aer și se pot rupe atunci când lovesc pământul. Dacă umflați o bula cu aer cald la această temperatură, aceasta va îngheța într-o formă sferică aproape perfectă, dar pe măsură ce aerul se răcește și scade în volum, bula se poate prăbuși parțial și forma ei va fi distorsionată. Bulele umflate la această temperatură vor fi întotdeauna mici, deoarece vor îngheța rapid, iar dacă continuați să le umflați, vor izbucni.

Bubble Merging

Când două bule se unesc, ele capătă forma cu cea mai mică suprafață posibilă. Peretele lor comun se va bomba în interiorul bulei mai mari, deoarece bula mai mică are o curbură medie mai mare și o presiune internă mai mare. Dacă bulele au aceeași dimensiune, peretele lor comun va fi plat.

Regulile pe care le respectă bulele atunci când sunt conectate au fost stabilite experimental în secolul al XIX-lea de către fizicianul belgian Joseph Plateau și demonstrate matematic în 1976 de Jean Taylor).

În principiu, bulele care nu respectă aceste reguli se pot forma, dar vor fi foarte instabile și vor lua rapid forma corectă sau se vor prăbuși. Albinele , care caută să reducă consumul de ceară , leagă fagurii din stupi tot la un unghi de 120 ° , formând astfel hexagoane regulate .

Interferențe și reflexii

Culorile „curcubeu” iridescente ale bulelor de săpun sunt observate datorită interferenței undelor luminoase și sunt determinate de grosimea peliculei de săpun.

Când un fascicul de lumină trece prin pelicula subțire a bulei, o parte din acesta este reflectată de pe suprafața exterioară, formând primul fascicul, în timp ce o altă parte pătrunde în film și este reflectată de pe suprafața interioară, formând al doilea fascicul. Culoarea radiației observate în reflexie este determinată de interferența acestor două raze. Deoarece fiecare trecere a luminii printr-un film creează o schimbare de fază proporțională cu grosimea filmului și invers proporțional cu lungimea de undă, rezultatul interferenței depinde de două mărimi. Când sunt reflectate, unele valuri sunt adăugate în fază, în timp ce altele sunt defazate și, ca urmare, lumina albă care se ciocnește cu filmul este reflectată cu o nuanță în funcție de grosimea filmului.

Pe măsură ce filmul devine mai subțire din cauza evaporării apei, se poate observa o schimbare a culorii bulei. O peliculă mai groasă îndepărtează componenta roșie din lumina albă, făcând astfel lumina reflectată să devină albastru-verde. O peliculă mai subțire îndepărtează galbenul (lăsând lumină albastră), apoi verde (lăsând magenta) și apoi albastru (lăsând galben auriu). În cele din urmă, peretele bulei devine mai subțire decât lungimea de undă a luminii vizibile, toate undele reflectate de lumină vizibilă se adună în antifază și nu mai vedem reflecția (pe un fundal întunecat, această parte a bulei arată ca un "pata neagra"). Când se întâmplă acest lucru, grosimea peretelui bulei de săpun este mai mică de 25 de nanometri și este posibil ca bula să spargă în curând.

Efectul de interferență depinde și de unghiul la care fasciculul de lumină lovește filmul cu bule. Astfel, chiar dacă grosimea peretelui ar fi aceeași peste tot, am observa totuși culori diferite datorită mișcării bulei. Dar grosimea bulei se schimbă constant din cauza gravitației, care trage lichidul în jos, astfel încât de obicei putem vedea dungi de diferite culori care se mișcă de sus în jos.

Proprietăți matematice

Baloanele de săpun sunt, de asemenea, o ilustrare fizică a problemei de suprafață minimă , o problemă matematică complexă. De exemplu, deși se știe încă din 1884 că un balon de săpun are o suprafață minimă pentru un anumit volum, abia în 2000 s-a dovedit că două bule îmbinate au o suprafață minimă pentru un anumit volum combinat. Această problemă a fost numită teorema bulei duble. De asemenea, numai odată cu apariția teoriei măsurii geometrice a fost posibil să se demonstreze că suprafața optimă va fi netedă în bucăți și nu la infinit ruptă.

Filmul unui balon de săpun tinde întotdeauna să-și minimizeze suprafața. Acest lucru se datorează faptului că energia liberă a unui film lichid este proporțională cu suprafața sa și tinde să atingă un minim:

unde  este tensiunea superficială a substanței și  este suprafața totală a filmului. Forma optimă pentru o singură bulă este o sferă, dar mai multe bule combinate împreună au o formă mult mai complexă.

Bubble show

Spectacolul cu baloane de săpun este atât divertisment, cât și artă. Crearea de bule spectaculoase necesită un nivel ridicat de îndemânare a artistului, precum și capacitatea de a prepara o soluție de săpun de o calitate perfectă. Unii artiști creează bule uriașe, deseori înfășurându-se în jurul obiectelor sau chiar al oamenilor. Alții reușesc să creeze bule sub formă de cub , tetraedru și alte forme. Adesea, pentru a spori efectul vizual, bulele sunt umplute cu fum sau gaz combustibil, combinate cu iluminare laser sau foc deschis.

Înregistrări

Pe 2 martie 2017, rusoaica Lyudmila Darina a stabilit recordul Guinness al Recordurilor „Cel mai mare număr de oameni într-un balon de săpun” [3]  - 374 de persoane. La 30 ianuarie 2018, acest record a fost inclus și în „ Cartea Recordurilor Rusiei ”] [4] ca record mondial.

Înregistrați fotografia

Istorie

Plateau, Joseph a fost unul dintre primii din Europa care a studiat științific figurile din filmele de săpun, a descris rezultatele și a formulat problema care îi poartă numele: problema Plateau . În formularea cea mai simplă, poate fi formulată astfel: „găsiți suprafața celei mai mici zone delimitate de un contur spațial închis dat” . El a propus și soluția sa fizică cu ajutorul foliilor de săpun.

Vezi și

Note

  1. ↑ Înghețarea baloanelor de săpun pe YouTube
  2. ↑ M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros Proof of the double bubble conjecture Arhivat 29 ianuarie 2019 la Wayback Machine // Ann. de Matematică. (2), voi. 155 (2002), nr.2, 459-489.
  3. ↑ Majoritatea oamenilor în interiorul unui balon de săpun  (engleză) , Guinness World Records . Arhivat din original pe 21 martie 2018. Preluat la 20 martie 2018.
  4. ↑ Rusia, Cartea Recordurilor . Cel mai mare număr de oameni în interiorul unui balon de săpun (record mondial)  (poloneză) , CARTEA ÎNREGISTRĂRILOR RUSIEI . Arhivat din original pe 20 martie 2018. Preluat la 20 martie 2018.

Literatură