Мыльный пузырь - Soap bubble

Мыльный пузырь.
Единственная фотография легкого мыльного пузыря, сделанная в режиме макросъемки.
Один мыльный пузырь, отображающий три слоя.
Девушка пускает пузыри.
Несколько пузырей образуют пену.

А мыльный пузырь очень тонкий фильм из мыльный вода, окружающая воздух, которая образует пустоту сфера с радужный поверхность. Мыльные пузыри обычно держатся всего несколько секунд, прежде чем лопаются сами по себе или при контакте с другим предметом. Их часто используют для развлечения детей, но они также используются в художественных целях. выступления. Сборка нескольких пузырей приводит к пена.

Когда свет падает на пузырь, кажется, что он меняет цвет. В отличие от цветов радуги, которые возникают из-за дифференциальной рефракции, цвета мыльного пузыря возникают из-за интерференции света, отражающегося от передней и задней поверхностей тонкой мыльной пленки. В зависимости от толщины пленки разные цвета мешают конструктивно и разрушительно.

Математика

Мыльные пузыри - это физические примеры сложных математический проблема минимальная поверхность. Они примут форму наименьшего площадь поверхности возможно, содержащее заданный объем. Истинную минимальную поверхность лучше проиллюстрировать мыльная пленка, который имеет одинаковое давление внутри и снаружи, следовательно, это поверхность с нулевым средняя кривизна. Мыльный пузырь - это замкнутая мыльная пленка: из-за разницы внешнего и внутреннего давления он представляет собой поверхность постоянный средняя кривизна.

Хотя с 1884 года было известно, что сферический мыльный пузырь - это способ с наименьшей площадью окружения данного объема воздуха (теорема Х. А. Шварц ), только в 2000 году было доказано, что два объединенных мыльных пузыря обеспечивают оптимальный способ вмещения двух заданных объемов воздуха разного размера с наименьшей площадью поверхности. Это было названо гипотеза о двойном пузыре.[1]

Благодаря этим качествам пленки с мыльными пузырями используются для решения практических задач. Инженер-строитель Фрей Отто использовали пленки мыльных пузырей для определения геометрии листа с наименьшей площадью поверхности, который распространяется между несколькими точками, и преобразовали эту геометрию в революционную натяжные кровельные конструкции.[2] Знаменитый пример - его западногерманский павильон на Экспо 67 в Монреале.

Физика

Слияние

Мыльные пузыри легко сливаются.

Когда два пузырька сливаются, они принимают форму, которая делает сумму их площадей как можно меньшей, совместимой с объемом воздуха, заключенным в каждый пузырь. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка плоская. Если они не одинакового размера, их общая стенка вздувается в больший пузырь, так как меньший имеет более высокий внутренний диаметр. давление чем больший, как предсказывает Уравнение Юнга – Лапласа.

В точке, где встречаются три или более пузырей, они сортируются так, что только три стенки пузыря встречаются вдоль линии. Поскольку поверхностное натяжение одинаково на каждой из трех поверхностей, три угла между ними должны быть равны 120 °. В одной точке могут встречаться только четыре стенки пузыря, при этом линии, где встречаются тройки стенок пузыря, разделены cos−1(−1/3) ≈ 109,47 °. Все эти правила, известные как Законы Плато, определить, как пена построен из пузырей.

Стабильность

Долговечность мыльного пузыря ограничена легкостью разрыва очень тонкого слоя воды, который составляет его поверхность, а именно: микрометр толстый мыльная пленка Таким образом, он чувствителен к:

  • Дренаж внутри мыльной пленки: вода падает под действием силы тяжести. Это можно замедлить, увеличив вязкость воды, например, добавив глицерин. Тем не менее, существует предел высоты, которым является длина капилляра, очень высокая для мыльных пузырей: около 13 футов (4 метра). В принципе, его длина не ограничена.
  • Испарение: Это можно замедлить, выпустив пузыри во влажной атмосфере или добавив в воду немного сахара.
  • Грязь и жир: когда пузырь касается земли, стены или нашей кожи, он обычно разрывает мыльную пленку. Этого можно избежать, смочив эти поверхности водой (желательно с добавлением мыла).

Смачивание

Мыльный пузырь, смачивающий ультрагидрофобную поверхность
Мыльный пузырь, смачивающий поверхность жидкости

Когда мыльный пузырь соприкасается с твердой или жидкой поверхностью смачивание наблюдается. На твердой поверхности угол контакта пузыря зависит от поверхностная энергия твердого.,[3][4] Мыльный пузырь имеет больший угол контакта на твердой поверхности, отображая ультрагидрофобность чем на гидрофильной поверхности - см. Смачивание. На поверхности жидкости краевой угол мыльного пузыря зависит от его размера - меньшие пузырьки имеют меньшие краевые углы.[5][6]

Лекарство

Контактный дерматит

В состав жидкости мыльных пузырей входит множество рецептов с немного разными ингредиентами. Самый распространенный из них содержит:

Из-за наличия посудомоечной машины мыло, дети нередко заражаются дерматит на лице, руках с последствиями в виде сыпи, отека глаз, рвоты и головокружения.

Мыльные пузыри как нетрадиционные вычисления

Смотрите также Нетрадиционные вычисления.

Структуры, которые создают мыльные пленки, могут быть не просто сферическими, но практически любой формы, например, проволочными каркасами. Таким образом, можно спроектировать множество различных минимальных поверхностей. На самом деле иногда их легче создать физически, чем вычислить с помощью математическое моделирование. Поэтому мыльные пленки можно рассматривать как аналоговые компьютеры которые могут превзойти обычные компьютеры в зависимости от сложности системы.[7][8][9]

Пузыри в образовании

Пузыри можно эффективно использовать для обучения и изучения самых разных концепций даже маленьких детей. Гибкость, формирование цвета, отражающие или зеркальные поверхности, вогнутые и выпуклые поверхности, прозрачность, разнообразие форм (круг, квадрат, треугольник, сфера, куб, тетраэдр, шестиугольник), эластичные свойства и сравнительные размеры, а также более эзотерические свойства пузырей указаны на этой странице. Пузыри полезны при обучении концепциям, начиная с 2-х лет и до студенческих лет. Профессор швейцарского университета доктор Натали Харцелл предположила, что использование искусственных пузырей в развлекательных целях для маленьких детей показало положительный эффект в области мозга ребенка, которая контролирует моторику и отвечает за координацию с детьми, подвергающимися воздействию пузырей в в молодом возрасте двигательные навыки заметно лучше, чем у тех, кто этого не делал.[10]

Отдых

Использовать в игре

Женщина создает пузыри с помощью длинной палочки для мыльных пузырей
Пузырь дует в Долорес Парк в течение Дайк Марч, Июнь 2019
Адриан Ханнеман, Два мальчика пускают пузыри (ок. 1630 г.)
Жан-Батист-Симеон Шарден, Мыльные пузыри (ок. 1734 г.)

Мыльные пузыри использовались в качестве развлечения как минимум 400 лет, о чем свидетельствуют фламандские картины 17-го века, на которых дети надувают мыльные пузыри из глиняных трубок. Лондонская фирма А. и Ф. Груши создал знаменитую рекламную кампанию для своего мыла в 1886 году, используя картину Джона Эверетта Милле, изображающую ребенка, играющего с пузырями. Чикагская компания Chemtoy начала продавать пузырьковый раствор в 1940-х годах, и с тех пор пузырьковый раствор пользуется популярностью у детей. Согласно одной из отраслевых оценок, розничные торговцы продают около 200 миллионов бутылок в год.[нужна цитата ]

Цветные пузыри

Пузырь состоит из прозрачной воды, в которой заключен прозрачный воздух. Однако мыльная пленка тонкий, как видимый свет длина волны, в результате чего помехи. Это создает переливчатость который, вместе с шарообразной формой и хрупкостью пузыря, способствует его волшебному эффекту как на детей, так и на взрослых. Каждый цвет - это результат различной толщины пленки мыльных пузырей. Том Нодди (который фигурировал во втором эпизоде Маркус дю Сотуа с Код ) дал аналогию с рассмотрением контур карта поверхности пузырей. Однако создание искусственно окрашенных пузырей стало проблемой.

Байрон, Мелоди и Енох Светленд изобрели запатентованный нетоксичный пузырь (Tekno Bubbles)[11] которые светятся при УФ-освещении. Эти пузыри выглядят как обычные высококачественные «прозрачные» пузыри при нормальном освещении, но светятся при действии ультрафиолетового света. Чем ярче УФ-излучение, тем ярче они светятся. Семья продавала их по всему миру, но с тех пор продала свою компанию.

Добавление цветных красить при пузырении смесей не удается получить цветные пузыри, потому что краситель прикрепляется к молекулам воды, а не к поверхностно-активному веществу. Таким образом, образуется бесцветный пузырь с краской, падающей в точку у основания. Краситель химик Доктор Рам Сабнис разработал лактон краситель, который прилипает к поверхностно-активным веществам, позволяя образовывать яркие пузыри. Кристаллический фиолетовый лактон это пример. Другой человек по имени Тим Кехо изобрел цветной пузырь, который теряет свой цвет под воздействием давления или кислорода, который он теперь продает в Интернете как Zubbles, которые не токсичны и не окрашивают. В 2010 году японский космонавт Наоко Ямазаки продемонстрировали, что можно создавать цветные пузыри в микрогравитация. Причина в том, что молекулы воды равномерно распределены вокруг пузыря в условиях низкой гравитации.

Замораживание

Замерзший мыльный пузырь на снегу при температуре −7 ° C (19 ° F).

Если мыльные пузыри выдуваются в воздух ниже температура от −15° C (5 ° F ), они замерзнут, когда коснуться поверхности. Воздух внутри будет постепенно размытый наружу, в результате чего пузырек рассыпается под собственным весом. При температуре ниже -25 ° C (-13 ° F) пузырьки замерзают в воздухе и могут лопнуть при ударе о землю. Когда пузырек продувают теплым воздухом, он сначала замерзает до почти идеальной сферы, но когда теплый воздух охлаждается и происходит уменьшение объема, происходит частичное схлопывание пузыря. Пузырь, успешно созданный при такой низкой температуре, всегда будет довольно маленьким; он быстро замерзнет и разрушится при дальнейшем увеличении.[12]Замораживание мелких мыльных пузырей происходит через 2 секунды после постановки на снег (при температуре воздуха около –10 ...– 14 ° C).[13]

Искусство

Профессиональный «пузырчатый» на выставке 2009 г. Клубничная ярмарка в Кембридж, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ.
Мыльные пузыри в центре Будапешта

Мыльный пузырь выступления комбинировать развлекательная программа с художественными достижениями. Они требуют высокого мастерства.[нужна цитата ] Некоторые исполнители используют обычные коммерчески доступные пузырьковые жидкости, в то время как другие составляют свои собственные решения. Некоторые художники создают гигантские пузыри или трубки, часто обволакивающие предметы или даже людей. Другим удается создавать пузыри, образующие кубы, тетраэдры и другие формы и формы. Иногда с пузырями обращаются голыми руками. Чтобы добавить визуального впечатления, они иногда заполняются курить, пар или гелий и в сочетании с лазер огни или огонь. Мыльные пузыри можно наполнить горючим газом, например натуральный газ а потом загорелся.

Галерея художников мыльного пузыря за работой

  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 (1) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 (2) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 г. (3) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 г. (4) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 (5) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 г. (6) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 (10) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 (11) .JPG
  • Изготовление гигантских мыльных пузырей в Барселоне, март 2015 (12) .JPG
  • PopUpCity.jpg
  • PopUpCity (2) .jpg
  • PopUpCity (3) .jpg

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Хатчингс, Майкл; Морган, Фрэнк; Риторе, Мануэль; Рос, Антонио (17 июля 2000 г.). «Доказательство гипотезы о двойном пузыре». Объявления об электронных исследованиях. 6 (6): 45–49. Дои:10.1090 / S1079-6762-00-00079-2.
  2. ^ Джонатан Гланси, The Guardian 28 ноября 2012 г. В архиве 8 января 2017 г. Wayback Machine
  3. ^ Teixeira, M.A.C .; Тейшейра, P.I.C. (2009). «Угол смачивания полусферического пузыря: аналитический подход» (PDF). Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 338 (1): 193–200. Bibcode:2009JCIS..338..193T. Дои:10.1016 / j.jcis.2009.05.062. PMID  19541324.
  4. ^ Арскотт, Стив (2013). «Смачивание мыльных пузырей на гидрофильных, гидрофобных и супергидрофобных поверхностях». Письма по прикладной физике. 102 (25): 254103. arXiv:1303.6414. Bibcode:2013АпФЛ.102г4103А. Дои:10.1063/1.4812710. S2CID  118645574.
  5. ^ M.A.C. Тейшейра, С. Арскотт, С.Дж. Кокс и P.I.C. Тейшейра, Langmuir 31, 13708 (2015).[1]
  6. ^ "О, отчаянный да болха". В архиве из оригинала на 2016-02-12. Получено 2016-02-09.
  7. ^ Изенберг, Кирилл (2012). «Мыльный фильм: аналоговый компьютер». Американский ученый. 100 (3): 1. Дои:10.1511/2012.96.1.
  8. ^ Изенберг, Кирилл (1976). «Мыльный фильм: аналоговый компьютер». Американский ученый. 64 (3): 514–518. Bibcode:1976AmSci..64..514I. Дои:10.1511/2012.96.1.
  9. ^ Тейлор, Джин Э. (1977). «Письма из мыльного фильма». Американский ученый. 100 (Январь – февраль): 1. Дои:10.1511/2012.96.1.
  10. ^ Тейлор, Дж. Э. (1976). «Структура особенностей на минимальных поверхностях, подобных мыльному пузырю и мыльной пленке». Анналы математики. 103 (3): 489–539. Дои:10.2307/1970949. JSTOR  1970949.
  11. ^ Мэри Беллис (1999-10-05). "Интервью с Байроном и Мелоди Свитленд - изобретателями Tekno Bubbles". Inventors.about.com. В архиве из оригинала 2013-07-04. Получено 2013-10-04.
  12. ^ Хоуп Терстон Картер: Замороженные матовые развлечения В архиве 2016-02-15 в Wayback Machine hopecarter.photoshelter.com, Мичиган, США, 2014 г., данные получены 25 января 2017 г. - Каталог фотографий.
  13. ^ пиллеуспульчер: Замораживание мыльных пузырей на снегу В архиве 2017-02-02 в Wayback Machine google +, Регенсбург, Германия, 23 января 2017 г., данные получены 25 января 2017 г. - Фотографии, описание на немецком языке.

дальнейшее чтение

  • Опря, Джон (2000). Математика мыльных пленок - Исследования с кленом. Американское математическое общество (1-е изд.). ISBN  0-8218-2118-0
  • Мальчики, К. В. (1890) Мыльные пузыри и силы, которые их формируют; (Отпечаток Dover) ISBN  0-486-20542-8. Классическая викторианская экспозиция, основанная на серии лекций, первоначально прочитанных «перед подростковой аудиторией».
  • Изенберг, Кирилл (1992) Наука о мыльных пленках и мыльных пузырях ; (Дувр) ISBN  0-486-26960-4.
  • Нодди, Том (1982) "Магия пузырей Тома Нодди" Объяснения первооткрывателя пузыря создали современное искусство исполнения.
  • Штейн, Дэвид (2005) «Как сделать чудовищные, огромные, невероятно большие пузыри»; (Klutz) Раньше "Невероятная книга пузырей" (1987) он положил начало гигантскому спорту с пузырями. ISBN  978-1-57054-257-2

внешние ссылки