Введение
Тонкая пленка мыльной воды, заключающая в себе воздух.
Мыльный пузырь (обычно называемый просто пузырем) — это чрезвычайно тонкая пленка мыла или моющего средства и воды, заключающая в себе воздух, которая образует полый шар с переливающимися цветами на поверхности. Мыльные пузыри обычно существуют всего несколько секунд, прежде чем лопнуть, либо сами по себе, либо при контакте с другим предметом. Их часто используют для развлечения детей, но также применяют в художественных выступлениях. Объединение множества пузырей приводит к образованию пены. Когда свет падает на пузырь, он кажется меняющим цвет. В отличие от цветов радуги, возникающих из-за дифференциального преломления, цвета мыльного пузыря возникают в результате интерференции световых волн, отражающихся от передней и задней поверхностей тонкой мыльной пленки. В зависимости от толщины пленки разные цвета интерферируют конструктивно и деструктивно.
Математика
Мыльные пузырьки — это физические примеры сложной математической задачи о минимальной поверхности. Они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности, вмещающей заданный объем. Истинная минимальная поверхность более точно иллюстрируется мыльной пленкой, которая имеет одинаковое давление с обеих сторон и становится поверхностью с нулевой средней кривизной. Мыльный пузырь представляет собой замкнутую мыльную пленку: из-за разницы между внешним и внутренним давлением он является поверхностью с постоянной средней кривизной. Хотя с 1884 года известно, что сферический мыльный пузырь — это способ с наименьшей площадью поверхности для заключения заданного объема воздуха (теорема Г. А. Шварца), лишь в 2000 году было доказано, что два соединенных мыльных пузыря обеспечивают оптимальный способ заключения двух заданных объемов воздуха разного размера с наименьшей площадью поверхности. Это получило название гипотезы о двойном пузыре. Благодаря этим свойствам мыльные пленки используются в практических задачах и при решении проблем. Архитектор Фрай Отто использовал мыльные пленки для определения геометрии поверхности с наименьшей площадью, натянутой между несколькими точками, и перенес эту геометрию в революционные конструкции натяжных крыш. Ярким примером является его западногерманский павильон на выставке Expo 67 в Монреале.
Мыльные пузырьки как нетрадиционные вычисления
Структуры, которые образуют мыльные пленки, могут принимать не только форму сфер, но практически любую форму, например, в виде каркасов из проволоки. Таким образом, можно создавать множество различных минимальных поверхностей. Фактически, иногда их легче создать физически, чем вычислить с помощью математического моделирования. Именно поэтому мыльные пленки можно рассматривать как аналоговые вычислительные устройства, которые в зависимости от сложности системы могут превосходить обычные компьютеры.
Слияние
Когда два пузыря сливаются, они принимают форму, минимизирующую суммарную площадь их поверхности при заданном объеме заключенного в каждом пузыре воздуха. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка плоская. Если же они различаются по размеру, общая стенка искривляется в сторону большего пузыря, поскольку внутреннее давление в меньшем пузыре выше, чем в большем, что соответствует уравнению Юнга-Лапласа. В точке соприкосновения трех или более пузырей они располагаются таким образом, что в каждой точке пересекаются только три стенки пузырей, образуя линию. Поскольку поверхностное натяжение одинаково для всех трех поверхностей, углы между ними равны 120°. В одной точке могут пересекаться четыре стенки пузырей, при этом линии пересечения троек стенок разделены углом, равным arccos(-1/3) ≈ 109,47°. Все эти правила, известные как законы Плато, определяют структуру пены, образованной пузырями.
Намочивание
При контакте мыльного пузыря с твердой или жидкой поверхностью наблюдается смачивание. На твердой поверхности угол контакта пузыря зависит от поверхностной энергии твердого тела. Мыльный пузырь имеет больший угол контакта на твердой поверхности, проявляющей ультрагидрофобность, чем на гидрофильной поверхности – см. Смачивание. На жидкой поверхности угол контакта мыльного пузыря зависит от его размера: более мелкие пузыри имеют меньшие углы контакта.
Плавание
Газ внутри пузыря менее плотный, чем воздух, потому что он в основном состоит из водяного пара. Водяной пар – это газ, образующийся при испарении молекул воды. Когда молекулы воды испаряются, они переходят из жидкого состояния в газообразное. В газообразном состоянии молекулы воды расположены дальше друг от друга, чем в жидком. Это происходит потому, что молекулы воды притягиваются друг к другу. При испарении они преодолевают это притяжение и удаляются на большее расстояние. Чем больше расстояние между молекулами воды, тем ниже их плотность. Именно поэтому водяной пар менее плотный, чем воздух. Газ внутри пузыря в основном состоит из водяного пара, следовательно, он также менее плотный, чем воздух. На плотность газа также влияет его температура. При повышении температуры газа молекулы газа движутся быстрее, что приводит к их расширению и уменьшению плотности. Обратное также верно: при понижении температуры газа молекулы газа движутся медленнее, сближаются и становятся более плотными. Температура газа внутри пузыря зависит от температуры окружающей воды. Чем теплее вода, тем теплее газ внутри пузыря. Это означает, что газ внутри пузыря будет менее плотным в теплой воде, чем в холодной.
Использование в игре
Мыльные пузыри используются для развлечения уже не менее 400 лет, что подтверждается фламандскими картинами XVII века, на которых изображены дети, выдувающие пузыри с помощью глиняных трубок. Лондонская фирма A. & F. Pears в 1886 году создала знаменитую рекламную кампанию для своего мыла, использовав картину Джона Эверетта Миллеса с изображением ребенка, играющего с пузырями. Чикагская компания Chemtoy начала продавать раствор для мыльных пузырей в 1940-х годах, и с тех пор этот раствор пользуется популярностью у детей. По одной из оценок отрасли, розничные продавцы продают около 200 миллионов бутылок ежегодно.
Цветные пузырьки
Пузырь состоит из прозрачной воды, окружающей прозрачный воздух. Однако мыльная пленка настолько тонкая, как длина волны видимого света, что вызывает оптическую интерференцию. Это создает переливчатость, которая, вместе со сферической формой и хрупкостью пузыря, создает его волшебный эффект как для детей, так и для взрослых. Каждый цвет является результатом различной толщины мыльной пленки. Том Нодди (упомянутый во втором эпизоде передачи Маркуса дю Саутоя "Код") привел аналогию с рассматриванием карты уровней поверхности пузыря. Однако создание искусственно окрашенных пузырей стало сложной задачей. Байрон, Мелоди и Энох Светланд изобрели запатентованный нетоксичный пузырь (Tekno Bubbles), который светится под ультрафиолетовым освещением. Эти пузыри выглядят как обычные высококачественные "прозрачные" пузыри при обычном освещении, но начинают светиться при воздействии настоящего ультрафиолетового света. Чем ярче ультрафиолетовое освещение, тем ярче они светятся. Семья продавала их по всему миру, но впоследствии продала свою компанию. Добавление цветных красителей в состав смеси для пузырей не позволяет получить цветные пузыри, поскольку краситель прикрепляется к молекулам воды, а не к поверхностно-активному веществу. В результате образуется бесцветный пузырь, а краситель оседает в нижней точке. Химик-колорист доктор Рам Сабнис разработал лактоновый краситель, который прикрепляется к поверхностно-активным веществам, что позволяет создавать ярко окрашенные пузыри. Кристаллический фиолетовый лактон является примером. Другой изобретатель, Тим Кихо, создал цветной пузырь, который теряет цвет при воздействии давления или кислорода, и теперь продает его онлайн под названием Zubbles, который не токсичен и не оставляет пятен. В 2010 году японский астронавт Наоко Ямазаки продемонстрировала возможность создания цветных пузырей в условиях микрогравитации. Это происходит потому, что молекулы воды равномерно распределяются вокруг пузыря в условиях низкой гравитации.
Замораживание
Если мыльные пузыри выдувать в воздух, температура которого ниже 15 °C (5 °F), они замерзнут при касании поверхности. Воздух внутри будет постепенно диффундировать наружу, из-за чего пузырь разрушится под собственным весом. При температуре ниже примерно 25 °C (13 °F) пузыри замерзают в воздухе и могут лопнуть, ударившись о землю. Если пузырь выдуть теплым воздухом, он сначала замерзнет, образовав почти идеальную сферу, но когда теплый воздух остынет и объем уменьшится, произойдет частичное сжатие пузыря. Пузырь, успешно созданный при такой низкой температуре, всегда будет относительно небольшим; он быстро замерзнет и разрушится при дальнейшем увеличении. Замерзание небольших мыльных пузырей происходит в течение 2 секунд после опускания на снег (при температуре воздуха около –10 –14 °C).
Искусство
Мыльные пузыри – это сочетание развлечения и художественного мастерства. Они требуют высокого уровня умения. Некоторые исполнители используют обычные коммерчески доступные жидкости для пузырей, а другие создают собственные растворы. Некоторые художники создают гигантские пузыри или трубки, часто окутывающие предметы или даже людей. Другие же умудряются создавать пузыри в форме кубов, тетраэдров и других геометрических фигур. Иногда пузыри берут в руки без перчаток. Для усиления визуального эффекта их иногда наполняют дымом, паром или гелием и сочетают с лазерными лучами или огнем. Мыльные пузыри можно наполнить горючим газом, например, природным газом, и затем поджечь. К профессиональным артистам, работающим с мыльными пузырями, относятся Том Нодди, Фан Ян и Удивительный Человек-пузырь.
Образование
Пузыри можно эффективно использовать для обучения и изучения широкого спектра понятий даже с самыми маленькими детьми. Гибкость, формирование цвета, отражающие и зеркальные поверхности, вогнутые и выпуклые поверхности, прозрачность, разнообразие форм (круг, квадрат, треугольник, сфера, куб, тетраэдр, шестиугольник), эластичность, сравнительный размер, а также более сложные свойства пузырей, перечисленные на этой странице. Пузыри полезны для обучения понятиям, начиная с 2 лет и вплоть до университетских лет. Швейцарский университетский профессор, доктор Натали Хартцелл, предположила, что использование искусственных пузырей в развлекательных целях для маленьких детей оказывает положительное влияние на область мозга, отвечающую за двигательные навыки и координацию, и что дети, которые в раннем возрасте играли с пузырями, демонстрируют заметно лучшие двигательные навыки, чем те, кто не играл.