Тема проекта Превращение мыльных пузырей

Областное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Курский автотехнический колледж»

Тема проекта

Превращение мыльных пузырей

Выполнил: Уколов Сергей,

студент группы СП- 21

Руководитель: Авдулова И.В.,

преподаватель физики

Курск, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Глава I Мыльные пузыри с точки зрения физики 3

1.1 Исторический очерк 5

1.2 Физические основы мыльного пузыря 5

Глава II Экспериментальная часть

2.1. Выяснение причин устойчивости мыльного пузыря 7

Исследование №1 «Выяснение влияния мыла на поверхностное натяжение

воды» 7

Исследование №2 «Тестирование растворов для выдувания мыльных

пузырей» 7

Исследование №3 «Расчет максимального радиуса мыльного пузыря и экспериментальная проверка расчетов» 8

Исследование №4 «Объединение пузырей» 8

Исследование №5 «Углекислый газ и мыльные пузыри» 9

2.2. Мыльный пузырь – универсальная модель. 10

Эксперимент № 6 «Мыльный пузырь – модель ураганов» 10

Заключение 11

Использованная литература 12

Приложение 13

Презентация 20

Введение

С детства все смотрят на искрящиеся летящие шарики - мыльные пузыри. Во всех институтах мира пишут диссертации, высчитывают его точную площадь и плотность, наполняют то теплым, то холодным воздухом. Мыльного «подопытного» даже замораживают! И тут мы задумались, чем же вызван столь широкий интерес к, казалось бы, простейшей детской забаве?

Мыльный пузырь - конструкция очень устойчивая. Стабильность мыльного пузыря постоянно поражает, ведь строительным материалом для него, является вода. Что же придаёт такую устойчивость пузырю, изготовленному из тончайшей жидкой плёнки? Предельная простота и совершенство формы? Очевидно, и это! А проще, величественнее и совершеннее формы, чем сфера, нет! Но действительно ли дело в форме? Еще английский физик лорд Кельвин говорил: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете  заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».Даже Английский физик Дьюар (прославившийся своими работами по сжижению воздуха) хранил мыльные пузыри в особых бутылках, хорошо защищенных от пыли, высыхания и сотрясения воздуха; при таких условиях ему удалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Лоренсу в Америке удавалось годами сохранять мыльные пузыри под стеклянным колпаком. С мыльными пузырями пытаются разобраться столетиями, поэтому и мы решили последовать совету лорда Кельвина, поэтому стоит считать что проведение нашего исследования однозначно актуально.

Практическая значимость моей работы состоит в том, что она может быть использована для повышения образовательного уровня, а также то, что в результате изучения темы были проведены опыты которые помогли добиться поставленной цели. В результате проведенного исследования, я планирую изучить теорию мыльных пузырей с разных точек зрения:

с исторической (когда и где появились);

с практической (способы изготовления);

с физической (теория возникновения пузырей, расчет радиуса пузыря и др.);

Объектом моего исследования являются мыльные пузыри. А предметом выяснение причин устойчивости мыльных пузырей.

Целью моей работы является изучения устойчивости мыльных пузырей.

Чтобы достичь цели работы, я перед собой поставил следующие задачи:

1) найти 5 рецептов изготовления мыльных пузырей и протестировать их по следующим критериям: прочность, время жизни пузыря, размер, заморозка; выбрать рецепт, показавший лучшие результаты и улучшить его, сравнить результаты;

2) вывести формулу для расчета предельного радиуса пузыря и предельной толщины пленки, получить пузырь максимального радиуса экспериментально;

3) выяснить экспериментально, как изменится поверхностное натяжение воды при добавлении в нее мыла;

4) проанализировать поведение мыльного пузыря при объединении и лопании;

5) выяснить, в каких науках можно использовать мыльный пузырь как модель для демонстрации явлений.

В работе использовались следующие методы и приемы:

1)работа с источниками информации (Интернет-ресурсы, литература);

2) эксперимент;

3) работа с компьютерными программами Adobe Photoshop CS2 для обработки изображений

4) сравнительный анализ полученных данных.

Теоретическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что мы на основании изучения темы можем показать не только решение самой задачи проекта, но и красоту самой науки физики, узнать историю возникновения мыльных пузырей. Рассмотреть физические основы самого строения мыльного пузыря.

ГЛАВА 1 Мыльные пузыри с точки зрения физики

1. Исторический очерк

У мыльного пузыря нет дня рождения, но заявлять о довольно солидном его возрасте можно с полной уверенностью, ведь фрески с изображением детей, выдувающих пузыри, были обнаружены при раскопках древнего города Помпеи. В средних веках изображение ангела, пускающего пузыри, помещали на надгробья и добавляли надпись: «От этого никто не уйдёт» [3, с. 98] (Приложение I). Этим, по-видимому, хотели сказать, что жизнь хрупка, как мыльный пузырь.

Англичанин Сэм Хит в течение 20 лет занимается этим делом и был даже занесен в книгу рекордов Гиннеса. Он создал мыльный пузырь в высоту 1,5 метра и ширину 3,3 метра, в который поместилось 50 человек.

Как отмечают эксперты рынка детских товаров, мыльные пузыри - это самая популярная игрушка в мире. Ежегодно в продажу поступает больше 200 млн. флакончиков с загадочной жидкостью. Корни появления мыльных пузырей уходят в глубокое прошлое.

Принято думать, что впервые они были созданы несколько тысяч лет назад. При раскопках города Помпеи были найдены фрески с изображением детей, выдувающих пузыри. Некоторые древние китайские папирусы изображают людей, выдувающих прозрачные шары через глиняные палочки.

Принято думать, что главные потребители мыльных пузырей - дети, но многие ученые не смогли остаться в стороне от этого развлечения. Английский физик Уильям Томсон в своих лекциях часто говорил о том, что выдувая мыльный шар и наблюдая за ним, можно сделать очень много интересных открытий. [9]

Говорят, что Альберт Эйнштейн очень много открытий сделал, купаясь в ванной. Ему доставляло огромное удовольствие нежиться в мыльной воде и играться с красивыми пузырями. Они очень сильно его радовали, погружали в иную реальность. Знаменитый физик Чарльз Бойс почти 100 лет назад написал книгу под названием "Мыльные пузыри". В этой книге очень детально рассказывается о том, что такое мыльный пузырь, его характеристики.

В 1994 году Тим Кехоз поставил цель - создать идеальный краситель для мыльных пузырей. Сначала результаты были слабенькими - пузыри получались бледными, едва заметного оттенка. Были потрачены годы на то, чтобы создать идеальную формулу жидкости. Эта формула дала возможность создавать мыльные пузыри, не оставляющие следов на поверхностях. Изобретение запатентовали. Такие пузыри продаются под брендом Zubbles.

2.1 Физические основы мыльного пузыря

Мыльный пузырь — тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью. Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои состоят из достаточно сложных молекул – русалок, одна часть которых является гидрофильной (любит контактировать с водой), а другая гидрофобной (избегают подобного контакта, «боятся» воды) [1, с.22]. Гидрофильная часть представляет собой разделённые электрические заряды, обладающие дипольным моментом. Она привлекается тонким слоем воды. В то время как гидрофобная – представляющая собой «хвост» из углеродной цепочки длиной 2,5 нм, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение (Приложение III).

Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки. Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений. (Приложение IV). Поскольку каждый проход света через плёнку создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.

По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз.

ГЛАВА 2 Экспериментальная часть

1.1. Выяснение причин устойчивости мыльного пузыря

Исследование №1 «Выяснение влияния мыла на поверхностное натяжение воды»

Цель эксперимента: качественно оценить влияние мыла на величину поверхностного натяжения воды.

Оборудование: канцелярская скрепка, стакан с водой, пипетка, пинцет, мыльный раствор.

Ход эксперимента: 1. На поверхность воды, находящейся в стакане, пинцетом укладывают скрепку (фото 1, приложение V). 2. В стакан с водой и лежащей на поверхности воды скрепкой, капают каплю мыльного раствора (фото 2,3, приложение V).

Вывод: Скрепка утонула, так как добавление мыла не увеличивает, а уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Это легко объяснить: молекулы мыла, вклиниваясь между молекулами воды, снижают их взаимное притяжение.

Исследование №2 « Тестирование растворов для выдувания мыльных пузырей»

Цель эксперимента: (1 часть) выявить раствор, имеющий лучшие показатели по следующим критериям: прочность, время жизни пузыря, размер (средний размер, максимальный размер), количество удачных попыток из 10, поведение при отрицательных температурах; (2 часть) усовершенствовать раствор, показавший лучшие результаты.

Оборудование: рамка для выдувания мыльных пузырей, раствор мыльных пузырей из магазина, глицерин, сахар, вода, дистиллированная вода, стаканы для растворов, измерительный цилиндр, нашатырный спирт, стиральный порошок для ручной стирки.

Ход эксперимента: 1. Поиск рецептов растворов мыльных пузырей (Приложение VI). 2. Приготовление и тестирование каждого раствора 3. Анализ результатов (составление сводной таблицы, выявление раствора для дальнейшего исследования) (Приложение VII). Для выполнения второй части эксперимента мы использовали раствор № 4. Мы заменили обычную воду дистиллированной. Данные второй части эксперимента в приложении VIII.

Вывод: в результате эксперимента было установлено, что наиболее прочные и эластичные пленки образуются при использовании раствора №4 (Приложение VI, VII). Для опытов лучше использовать дистиллированную воду, обычная вода из-за минерального содержания будет причиной хрупких пузырей.

Исследование №3 «Расчет максимального радиуса мыльного пузыря и экспериментальная проверка расчетов»

Цель эксперимента: рассчитать предельный радиус мыльного пузыря, проверить расчеты экспериментом.

Оборудование: горячая вода, глицерин, нашатырный спирт, порошкообразное моющее средство, рамка для выдувания мыльного пузыря.

Ход эксперимента:

1.Теоретический расчет Рассчитаем предельный радиус пузыря R*, до которого не будет происходить нарушения сплошной поверхности. Пусть r – радиус капли мыльного пузыря, c – концентрация мыла в капле раствора, a - среднее межмолекулярное расстояние в жидкости, n_с - количество молекул мыла, которые мы можем расположить на поверхности пузыря предельного размера, тогда .

С другой стороны, для того чтобы и внешнюю, и внутреннюю поверхность мыльного пузыря покрыть однослойной пленкой молекул мыла, необходимо иметь
молекул. Тогда R* находится из условия n_s = n_с, т.е .

Приравнивая объем начальной капли объему пленки пузыря: _можно найти толщину пленки предельного пузыря:_

Вывод: толщина пленки оказалась не зависящей ни от радиуса начальной капли, ни от радиуса предельного пузыря. Это означает, что пленка предельного пузыря состоит из чистой, "обезмыленной" воды между двумя слоями молекул мыла. Чем больше было растворено мыла в воде (больше с), тем меньше будет "обезмыленной" воды (меньше h *) .

Практическая оценка: Сделаем некоторые количественные оценки. Если r = 10^-3 м, с ≈ 0,1, а≈5 ∙10 -¹⁰м [1, с. 116],то оказывается, что R * ≈ 0,2 м, а h*≈ 10^-8 м. А вот если r = 10~² м, то R* ≈ 6 м. Такой пузырь очень сложно выдуть по "техническим причинам": он лопнет раньше, чем созреет.

Исследование №4 «Объединение пузырей»

Цель эксперимента: выяснить, как ведут себя пузыри при объединении.

Оборудование: раствор для выдувания мыльных пузырей, чашка, соломинка.

Ход эксперимента:

1. Наливаем в чашку раствор для выдувания мыльных пузырей.

2. Вспениваем его .

3. Затем протыкаем каждый пузырь соломинкой, смоченной в растворе, выдуваем его.

Вывод: Когда два пузыря соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большего пузыря. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской. Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°[3, с. 87], в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности (Приложение X). Пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, в принципе могут образовываться, однако будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся.

Исследование № 5 «Углекислый газ и мыльные пузыри»

Цель эксперимента: определение воздействие углекислого газа на мыльные пузыри.

Оборудование: аквариум, пищевая сода, уксусная кислота, спички, мыльные пузыри

Ход эксперимента:

1. Насыпаем в аквариум соду.

2. Наливаем уксус. Наблюдаем активное шипение.

3. Проверяем наличие СО₂ спичкой.

4. Запускаем пузыри. Наблюдаем, как пузыри «плавают» в «невесомости».

Вывод: Образовавшийся углекислый газ (СО₂), от смешения уксусной кислоты и пищевой соды, тяжелее воздуха (Приложение IX, фото 4). При поднесении спички к жидкости, она тухнет. (Приложение IX, фото 5). В аквариуме газ опускается на дно. Мыльные пузыри, наполненные воздухом, ложатся на поверхность газа. Так как ни воздух, ни углекислый газ мы не видим, создается впечатления, что пузыри зависают в воздухе.(Приложение IX, фото 6).

2.2. Мыльный пузырь – универсальная модель.

Физическая модель — это модель, создаваемая путем замены объектов моделирующими устройствами, которые имитируют определённые характеристики либо свойства этих объектов. При этом моделирующее устройство имеет ту же качественную природу, что и моделируемый объект [4, с. 276].

Исследование №6 «Мыльный пузырь – модель ураганов»

Цель эксперимента: продемонстрировать экспериментально механизм возникновения ураганов.

Оборудование: источник тока, соединительные провода, лампочка, раствор для выдувания мыльных пузырей, фотоаппарат, ноутбук «ASUS», программа Adobe Photoshop CS2, секундомер, черный картон.

Ход эксперимента:

1. Собираем электрическую цепь (Приложение XII, фото 12);

2. Помещаем мыльный пузырь на подставку (Приложение XII, фото 13).

3.По закону Джоуля-Ленца, электрический ток нагревает проводник, охватывающий мыльный пузырь, тем самым нагревает экватор пузыря;

4.Обрабатываем фотографии в программе Adobe Photoshop CS2 .

Вывод: тепло конвективным образом распространяется от экватора к полюсам, создавая градиент (разность) температур ΔT. Мы наблюдали интерференционную картину, из которой видно, что при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону.

Где используется: первыми этот опыт поставили исследователи из Центра радиоволн и молекулярной оптики (Centre de Physique Moleculaire Optique et Hertzienne,) в Бордо (Франция) обнаружили, что вихри, определенным образом созданные в мыльных пузырях, ведут себя аналогично более масштабным атмосферным явлениям, таким как циклоны и ураганы. Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.

Заключение.

В результате проделанной нами работы мы пришли к следующим выводам:

1) Добавление мыла не увеличивает, а уменьшает поверхностное натяжение;

2) Наиболее прочные и эластичные пленки образуются при использовании раствора №4;

3) Улучшить качество мыльных пузырей можно заменив обычную воду дистиллированной, обычная вода из-за минерального содержания будет причиной хрупких пузырей;

4) Формула для вычисления предельного радиуса мыльного пузыря R*=(сr³/6а)^1/2 , для вычисления толщины пленки предельного пузыря: h=2а/с.Толщина пленки оказалась не зависящей ни от радиуса начальной капли, ни от радиуса предельного пузыря. Это означает, что пленка предельного пузыря состоит из чистой, "обезмыленной" воды между двумя слоями молекул мыла.

5) Возможно надуть пузыри диаметром не более 0,97 ±0,0005 м;

6) Когда два пузыря соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большего пузыря. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской. Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности;

7) Процесс заморозки биологических мембран происходит так же, как и замораживание мыльного пузыря. Действие холода на клетки ученые моделируют на мыльных пузырях, состоящих из смеси сходных с биологическими мембранами компонентов;

8) Тепло конвективным образом распространяется от экватора к полюсам, создавая разность температур ΔT. Мы наблюдали интерференционную картину, из которой видно, что при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону;

9) Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.

Таким образом мыльные пузыри устойчивы при использовании жидких моющих средств, мыла и воды. Вода должна быть мягкая или, еще лучше, дистиллированная. Как долго живёт пузырь, зависит от того, как долго он будет оставаться влажным.

Используемая литература

1. Гегузин Я.Е. «Пузыри» - М.: Наука, 1985, 182с

2. Тит Т. «Поучительные забавы, или занимательные опыты и фокусы» М.:АСТ: Астель, 2008. – 158с

3. Ханова М.С., Что такое? Кто такой? Детская энциклопедия, М.:Астрель; АСТ, 2008 -319с

4. Чуянов В.А., Энциклопедический словарь юного физика, М.: Педагогика, 1991 – 334 с

5. «Википедия» http://ru.wikipedia.org/wiki/

6. «Сайт о мыльных пузырях» http://bubblesmile.narod.ru/recept.htm

7. «Семейный совет» http://www.familus.ru/ssovet/8531999911

8. «Мыльные пузыри» http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/103-milniepuziri

9. « История возникновения мыльных пузырей» http://animator-kazan.ru/article-article_id-6.html

Приложение I

Гравюра, автор Хендрик Голзиус.

Надпись гласит: "Кто избежит сей чаши?".

Приложение II

Джон Миллес

(1829-1896)

"Пузыри"

Приложение III

Приложениe IV

Приложениe V

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Приложение VI

Приложение VII

Приложение VIII

Приложение IX

фото 4

фото 5

фото 6

Приложение X

Фото 7 Фото 8

Фото 9 Фото 10

Приложение X

Фото 11

Приложение XI

Фото 12

Фото 13

21