Purpuriu, roșu, albastru,
Culoare verde, galbenă.
A fost colorarea bulelor de săpun care a împins fizicianul restante Thomas Young să descopere fenomenul de interferență în filmele subțiri și să confirme natura valurilor luminii.
Săpunuri și filme sunt o vedere surprinzător de frumoasă. Ele pot fi luate în considerare ore întregi și la orice vârstă. Dar în cursul fizicii școlare această problemă are foarte puțin timp. Și așa vreau să știu despre acest fenomen uimitor. De ce balonul strălucește cu toate culorile curcubeului? Ce determină puterea unui film de săpun? Cum să pregătiți soluția potrivită pentru săpun, astfel încât bulele să dispară cât mai mult posibil și să dureze cât mai mult posibil? Cum se comportă o bule de săpun pe suprafețe solide și lichide? Și am multe întrebări.
Așa că am decis să fac cercetări și să privesc bulele de săpun și filmele de săpun cu ochii unei persoane curioase și să observăm bulele de săpun, studiind comportamentul lor. Aș vrea să știu de ce depinde puterea bulelor de săpun și cum impuritatea afectează tensiunea superficială a filmului.
Dar, înainte de a studia bulele de săpun, începem cu bule de apă.
Într-o zi fierbinte de vară, norul va veni să alerge și să plouă. Picături mari de ploaie formează bule mari în bazine și iazuri. Bubble se izbucnesc, se nasc noi. Când turnăm apa dintr-un robinet în vas, pe suprafața apei se formează bule. Care este cauza formării bulelor din apă?
Bulele se formează datorită tensiunii superficiale a apei. Jeturile de apă captează aerul și îl transporta. Bulele de aer apar sub apă, împrăștiate în diferite direcții de către un curent care se încadrează. Apoi plutesc la suprafață. Filmul pentru apele de suprafață nu le permite să se desprindă. Se formează o bule de aer, acoperită cu un strat subțire de molecule de apă. Filmul de apă este puternic, iar aerul este greu de rupt. Apasă puternic în aer și o stoarce. Aerul comprimat încearcă să se rupă și, în cele din urmă, se rupe prin film. Bubblele explodează. Bulele de apă sunt de scurtă durată, nu sunt săpunuri.
Vorbind despre bulele de săpun, le amintim de asimilațiile lor, care nu sunt foarte plăcute. De exemplu: "Am izbucnit ca un balon de săpun". Fizicienii le privesc cu totul altfel. „Blow un balon - a scris marele om de știință engleză Kelvin - și uita-te la el, va fi capabil să facă pentru viața studiului său, încă derivă din ea lecții de fizică“ (1) Într-adevăr, jocul magic de culori pe cea mai bună suprafață de film săpun ne dau. capabil să măsoare lungimea undelor de lumina, iar studiul acestor filme de tensiune blânde ajută să studieze legile forțelor dintre particulele - forțele de coeziune, fără de care nu ar fi nimic altceva decât cele mai bune de praf din lume.
bule bune se obțin dintr-o soluție simplă de săpun (grad WC, în acest scop sunt mai puțin potrivite), dar este cel mai util pentru bule mari și frumoase ulei de măsline pur sau săpun de migdale. Soluția de săpun este pregătită foarte simplu. O bucată de săpun trebuie diluată ușor în apă rece până când se obține o soluție destul de groasă. Cel mai bine este să folosiți apă de zăpadă (sau ploaie). Pentru a menține bulele mult timp, adăugați 1/3 glicerină în soluția de săpun (în volum). Din suprafața soluției este necesară îndepărtarea spumei și bulelor. Un tub subțire în interiorul și exteriorul trebuie să frotiu săpun, înmoaie în soluție și ținând tubul vertical, astfel încât, la sfârșitul filmului lichid este format prin suflare ușor în ea. Bubul este umplut cu aerul cald al plămânilor, care este mai ușor decât aerul în cameră și se ridică.
Dacă bulele pot fi imediat suflate la 10 cm în diametru, soluția sa dovedit a fi bună și potrivită pentru efectuarea de experimente. Există un alt mod de a testa soluția: suflarea bulei, degetul cu degetul într-o soluție cu săpun și încercarea de a-l străpunge. Dacă balonul nu se sparge, atunci soluția este bună.
Când adăugăm săpun sau detergent la apă. forțele de tensiune superficială scad drastic. Cu toate acestea, bulele de săpun sunt mai mari, sunt mai puternice și durează mai mult. Nu se contrazic aceste proprietăți?
Se pare că, pe lângă forțele de tensiune superficială, structura filmului de săpun joacă un rol important. Moleculele de săpun și detergenți se referă la surfactanți. Particularitatea lor este că un capăt al unei molecule lungi este activ în ceea ce privește apa, iar celălalt este inert. Moleculele de săpun sunt aranjate în mod ordonat și perpendicular pe suprafața apei, astfel încât acestea să semene cu o "palisadă". Sapun film are două astfel de "stocade". Când se umflă, se întinde, densitatea moleculelor de suprafață active pe suprafață scade, dar imediat tinde să se refacă datorită "influxului" tuturor moleculelor noi din volumul filmului. Atunci când toate moleculele de surfactant sunt la suprafață, apare o situație critică - filmul se prăbușește și bulele explodează. Teoretic, raza posibilă a bulelor este de 6 metri. Până în prezent, înregistrarea este mai mare de 2 metri. Bulele de săpun izbucnesc înainte de a ajunge la dimensiunea critică.
Forțe de tensiune superficială.
În lumea din jurul nostru, împreună cu gravitatea, elasticitatea și frecare, există o altă forță pe care, de obicei, nu o acordăm prea multă atenție. Această forță este relativ mică, acțiunea ei nu produce niciodată efecte impresionante. Cu toate acestea, nu putem turna apa în pahar, nu putem face nimic cu nici un lichid, fără activarea forțelor numite forțe de tensionare a suprafeței.
Pentru efectele cauzate de tensiunea superficială, suntem atât de obișnuiți încât nu le observăm, dacă nu ne distrăm prin pornirea bulelor de săpun. Cu toate acestea, în natură și în viața noastră, ele joacă un rol semnificativ. Fără ei nu am putut scrie cu cerneală. Un stilou obișnuit nu ar aduna cerneală din cerneală, iar un stilou automat ar pune imediat un blot mare, golind întregul său rezervor. Nu puteai sapa mainile, spuma nu se va forma. O ploaie slabă s-ar fi îmbibat prin haine și un curcubeu nu ar putea fi văzut în orice vreme. Regimul de apă al solului ar fi tulburat, ceea ce ar fi dezastruos pentru plante. Cea mai simplă modalitate de a înțelege natura forțelor de tensiune superficială este observarea formării unui balon de săpun.
Vom umfla bulele de săpun. Care este impresia dvs. despre un film cu bule de sapun? Mi se pare că seamănă cu un cauciuc subțire al mingii unui copil. Uită-te bine la modul în care treptat crește balonul, cum se formează constricția în paie și cum se desprinde de ea, strălucind cu toate culorile curcubeului. Nu aveți nevoie de prea multă imaginație pentru a vă imagina că pereții bulei sunt ca niște pungi elastice subțiri care se vor rupe dacă forța lor devine insuficientă. Dacă iei o pai din gură, aerul va scăpa din bule și bulele se vor micșora.
Suprafața lichidului tinde să se contracte.
Numeroase observații și experimente arată că lichidul are o formă în care suprafața liberă are cea mai mică suprafață. În dorința de a se micsora, filmul de suprafață ar da lichidului o formă sferică, dacă nu pentru gravitate, pe Pământ. Cu cât dimensiunea este mai mică, cu atât este mai mare rolul forțelor de suprafață în comparație cu forțele vrac (forțele gravitaționale). Prin urmare, picături mici de bule de rouă și săpun sunt aproape de forma mingii. În cazul căderii libere, există o stare de greutate și, prin urmare, picăturile de ploaie și bulele mici de săpun sunt aproape strict sferice (o mică deviere de la sfericitate este cauzată de rezistența la aer). Din cauza refracției razele soarelui, în ele apare un curcubeu. Dacă nu s-au produs picături și bule sferice, nu ar exista curcubeu.
Luați în considerare experiența care confirmă dorința fluidului de a reduce suprafața de contact cu aerul. La cele două puncte ale ramei de fir, legăm un fir, lungimea căreia este mai mare decât diametrul cadrului. După scufundarea cadrului într-o soluție de săpun, obținem un film de săpun pe care firul se află într-o poziție arbitrară. Dacă perforați filmul dintr-o parte a firului, filmul care rămâne pe cealaltă parte a firului, contractând, va întinde firul. Acest experiment poate fi modificat prin plasarea unei bucle pe filmul format în cadrul firului. Dacă spargeți filmul în interiorul bucla, acesta va lua forma unui cerc. Dacă se formează un film pe un cadru de sârmă având diferite forme geometrice (cub, tetraedru, etc.)., Pentru fiecare cadru de film este întotdeauna setat într-un mod bine definit, în care suprafața sa are cea mai mică suprafață. Astfel, suprafața unui lichid are o proprietate misterioasă la prima vedere - are tendința de a se contracta astfel încât suprafața sa să devină minimă. Se poate înțelege motivul care determină contractarea suprafeței lichidului, dacă cineva își imaginează în ce condiții sunt moleculele stratului de suprafață al lichidului.
Originea forțelor de tensiune de suprafață.
Suprafața unui lichid care vine în contact cu un alt mediu, de exemplu propria sa vapori, se află în condiții speciale în comparație cu restul masei lichide. Aceste condiții apar deoarece pe suprafața lichidului, în apropierea limitei care separă lichidul și vaporii, moleculele se confruntă cu o interacțiune moleculară diferită față de moleculele care se află în interiorul volumului lichidului.
Fiecare moleculă din interiorul fluidului este afectată de forțele de atracție ale moleculelor vecine care o înconjoară din toate părțile. Rezultanta forțelor de atracție care acționează asupra stratului de suprafață a moleculelor nu este egal cu zero (deoarece suprafața lichidului este deasupra densitatea de vapori, care este de multe ori mai mică decât densitatea fluidului), și este dirijat în lichid. Sub acțiunea acestei forțe, moleculele stratului de suprafață tind să fie atrase în lichid, numărul de molecule de pe suprafață scade și suprafața este redusă.
Știm că lichidul care curge din cauza salturi de molecule dintr-o poziție de „stabilit“ la altul, și este nevoie de o formă în care numărul de molecule pe suprafața este minimă, adică. Zona E. Suprafața este minimă. O suprafață minimă pentru un volum dat are o sferă. Aria suprafeței lichidului scade și este percepută ca o tensiune superficială.
În ciuda faptului că am comparat filmul unui bule de săpun cu o minge de cauciuc întinsă, originea forțelor de suprafață este destul de diferită de forțele elastice ale unui film de cauciuc întins. Prin reducerea cauciucului, forța elastică slăbește. Forțele de tensiune superficială nu se modifică în nici un fel, pe măsură ce suprafața filmului scade, deoarece densitatea lichidului și, în consecință, distanța medie dintre moleculele de pe suprafață nu se modifică. Știm că moleculele sunt atrase unul de altul la distanțe de ordinul mai multor raze moleculare și se repetă la distanțe foarte apropiate. Forțele de atracție care acționează asupra moleculei stratului de suprafață din partea tuturor celorlalte molecule dau rezultatul, îndreptat în jos. Cu toate acestea, moleculele "inferioare" învecinate per moleculă acționează prin forțe repulsive. Din acest motiv, molecula este în echilibru. Adevărat, orice moleculă participă la mișcarea termică. Dar pentru moleculele lichide această mișcare se reduce la oscilații în apropierea anumitor poziții de echilibru, iar din când în când aceste poziții se schimbă. Apoi, o altă moleculă ajunge la locul moleculei care a trecut în adâncimea lichidului etc. Astfel, moleculele stratului de suprafață sunt, în medie, la distanțe mari una față de alta decât moleculele din interiorul lichidului. Lichidul din stratul de suprafață se află într-o stare tensionată, tensionată și prin urmare o forță acționează de-a lungul suprafeței, ceea ce tinde să reducă această suprafață.
Dependența tensiunii superficiale de impurități
Influența semnificativă asupra tensiunii superficiale a lichidului este cauzată de impuritățile substanțelor dizolvate în acesta. Prezența impurităților în lichid duce, de regulă, la o scădere a tensiunii superficiale. Când zahărul din apă se dizolvă, tensiunea superficială crește. Dar tensiunea superficială a soluției de săpun este mai mică decât cea a apei. Cu toate acestea, bulele de săpun sau filmele de săpun pe cadrul sârmei sunt formate mai degrabă de o soluție de săpun decât de apă pură. Acest lucru este explicat după cum urmează: pentru un echilibru stabil al filmului, forțele de tensionare de suprafață ar trebui să crească cu înălțime. Cu cât suprafața filmei este mai mare, cu atât este mai mare masa filmului la partea inferioară. În consecință, concentrația de săpun pe suprafața filmului scade cu înălțimea. Din tabele se știe că tensiunea superficială a apei (pură) la o temperatură de 200 ° C este de 0,075 N / m și o soluție de săpun la aceeași temperatură - 0,040 N / m. În plus, coeficientul tensiunii de suprafață scade odată cu creșterea temperaturii.
Știm că lichidul care curge din cauza salturi de molecule dintr-o poziție de „stabilit“ la altul, și este nevoie de o formă în care numărul de molecule pe suprafața este minimă, adică. Zona E. Suprafața este minimă. O suprafață minimă pentru un volum dat are o sferă. Suprafața lichidului
Este interesant să observați bule când vine dintr-o cameră caldă într-una rece. În acest experiment, acesta scade considerabil în volum și invers, se umflă, ajungând dintr-o cameră rece într-o cameră caldă.
Explicați rezultatul acestei experiențe este ușor. Motivul constă în contracția și extinderea aerului închis în interiorul balonului. Dacă, de exemplu, frigul din vezica urinara volum -15 0C este 1000sm 3 și a lovit-o din camera rece până la + 15 0C, atunci acesta trebuie să crească în valoare de aproximativ na110sm 3. (1000 * 30 * 1/273 = 110)
Ideile obișnuite despre fragilitatea bulelor de săpun nu sunt complet corecte: cu un tratament adecvat este posibil să se păstreze o bule de săpun mult timp. Fizicianul englez Dewar, renumit pentru lucrările sale de lichefiere a aerului, a stocat bule de sapun în sticle speciale, bine protejat de praf, uscat și agitat de aer; În aceste condiții, el a reușit să mențină câteva bule o lună sau mai mult (5). Lorentz din America a reușit să păstreze bule de săpun sub capace de sticlă de ani de zile.
Care este mai subțire decât toate.
Puțini oameni știu probabil că un film cu bule de săpun este unul dintre cele mai subțiri care sunt disponibile pentru viziunea neînarmată. Obiectivele comune de comparație, care servesc în limba noastră pentru a exprima subtilitatea, sunt extrem de grosiere în comparație cu un film de săpun. "Subțire ca păr", "subțire ca hârtie de țesut" - înseamnă o grosime uriașă lângă grosimea peretelui bulei de săpun, care este de 5000 de ori mai subțire decât hârtia de păr și de țesut. La o mărire de 200 de ori parul uman are o grosime de aproximativ un centimetru, incizie același film de săpun chiar și într-o astfel de creștere nu este încă disponibilă viziune. Este necesară o creștere de 200 de ori, astfel încât tăierea peretelui bulei de săpun să fie văzută ca o linie subțire; Părul la această creștere (de 40.000 de ori!) Va avea mai mult de 2 m. în grosime. Figura 4 prezintă o reprezentare vizuală a acestor rapoarte.
Filmul bulei este foarte subțire și, totuși, în ciuda acestui fapt, este format din trei straturi: două straturi de apă cu săpun și între ele un strat de apă aproape pură.
Datorită volumului mare, acest material este plasat pe mai multe pagini:
1 2 3 4 5
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: