Красотата на сапунен мехур - Naukas
Наука, скептицизъм и хумор
Направете балон от сапун и го погледнете: дори да посветите целия си живот на неговото изучаване, няма да спрете да черпите нови учения по физика от него.
Като дете се радваше да духа сапунени мехурчета, съзерцавайки красотата на цветовете му, крехкостта му. Сега, благодарение на науката, която те съдържат, ми се струват още по-красиви.
В тази публикация ви каня да споделите с мен този нов облик.
Определение
Сапунен мехур * е изключително тънък филм от сапунена вода, който затваря определено количество въздух, образувайки куха сфера, чиято повърхност е ирисираща.
Необикновената тънкост на стената на помпата, както и нестабилността на нейната структура, върху която ще се спра по-късно, означава, че при обикновени условия съществуването й е кратко, от няколко секунди, или чрез спонтанно счупване или чрез контакт с някакъв обект. Възможно е обаче да се получат мехурчета, които при правилно третиране да продължат месеци и дори години.
Много подобни свойства имат сапунени филми, които не затварят въздух или газ и се състоят от изключително тънки листове, чийто ръб се поддържа от жици или други надлежно оформени средства, в зависимост от формата на листа, който трябва да се получи.
От древни времена сапунените мехурчета са игрив, лесен за направа и евтин елемент, който е много привлекателен поради изключителния си цвят; дори моментът на почивката предлага известна ефектност.
Не е трудно да се намерят препратки към „мехурчета“ в изкуствата, както в живописта, така и в литературата, като се намеква за тяхната лекота, красота, крехкост и преходност. Така пише Антонио Мачадо:
Никога не съм гонил славата,
нито оставете в паметта
на мъжете моята песен;
Обичам фините светове,
безтегловност и нежност,
като сапунена пяна.
А Роберто Гойенече (El Polaco) има сред хитовете си тангото «Pompas de soap» с музика на Роберто Гойенеше и текст на Енрике Кадикамо
Успявате, защото едва ли сте
уморен месен ембрион
и защо се смееш
това е сладка модулация.
Когато е безмилостен, годините,
те ви инжектират с горчивината си ...
ще видите, че вашата лудост
те бяха сапунени мехурчета.
Структура
"Кожата" на мехурчето се състои от тънък слой вода, уловена между два слоя молекули повърхностноактивни вещества, често сапун. За да разберем явленията, които позволяват образуването на тази структура, ще трябва да говорим за повърхностноактивни вещества и физическото явление, което се появява на свободната повърхност на течностите, което е известно като повърхностно напрежение.
Молекулите, които съставляват вещество в покой, течно или твърдо, се привличат помежду си чрез сили на сцепление, които пречат на телата да се превърнат в много фин прах или малки капки течност като мъгла. Кохезията е присъщо свойство на всяко вещество, което зависи от формата и структурата на неговите молекули и което се дължи на промени в орбитите на най-отдалечените електрони, когато те се приближат достатъчно близо, което създава атракция от електрическа природа, която поддържа структура на материала.
Повърхностното напрежение е следствие от междумолекулната сила на кохезия.
Фигура 02: Повърхностно напрежение, причинено от кохезионната сила
Представете си молекула от течност, която е потопена и заобиколена от множество идентични молекули. Ще изпитате привлекателната сила на всички останали, които ви заобикалят във всички посоки и, следователно, получената ще бъде нула, тоест няма да възприемете никаква сила. От друга страна, този, който е на повърхността, получава само сили, които го придърпват към центъра и в страни (силата, упражнявана от въздушните молекули, е абсолютно незначителна поради ниската им плътност), така че е очевидно, че ще има получена мрежа, насочена към центъра. При тези условия течността винаги се опитва да извлече повърхностните молекули и да ги насочи към центъра и да придаде на граничната повърхност формата, която съдържа възможно най-малко молекули. Течността има тенденция да минимизира повърхността си и това явление е това, което познаваме като повърхностно напрежение.
С други думи, за даден обем течност, свободен да конфигурира повърхността си, формата, която тя приема, съответства на тази на минималната площ. При липса на гравитация формата, която свежда до минимум повърхността, е сферична. С други думи, повърхността приема състоянието на минимална енергия за даден обем.
Досега сме имали работа с течности като цяло, но в случай на сапунени мехурчета течността е вода, обикновено с малък дял от някакво друго вещество, чиято роля ще бъде обяснена по-късно. Е, оказва се, че в случай на вода, силата на сцепление - и следователно нейното повърхностно напрежение - са необичайно високи поради силно полярен характер.
Фигура 03: Биполярен характер на водната молекула
Водната молекула се състои от два водородни атома и един кислороден атом, а атомите от своя страна са изградени от положително ядро, около което се движи облак от електрони. Кислородът има по-висока електроотрицателност от водорода, тоест в комбинация с водород той има по-голяма способност да привлича електрони към себе си.
Следователно, електронният облак ще се придвижи към кислородния атом, който произвежда отрицателен полюс в тази част и положителен полюс от страна на водорода. Следователно, въпреки че в световен мащаб молекулата е неутрална, локално, на много къси разстояния, тя действа като дипол, по същия начин, по който магнитът би се държал, замествайки магнитните полюси с електрически.
Фигура 04: Взаимодействие между молекулите на водата
Водните молекули се привличат една към друга електростатично - това е известно като водородна връзка - поради тяхната биполярна природа и това позволява на повърхността на течността да действа като еластична мембрана.
Следователно изглежда, че имаме течност, подходяща за издухване на мехурчета или полагане на водни мембрани без големи проблеми. Но ако направим теста, резултатът е абсолютно разочароващ, мехурчетата се спукват веднага. Това се дължи на няколко причини, но най-важните са действието на гравитацията, привличането между самите водни молекули и изпарението.
Фигура 05: Разрез на балон, показващ ефекта на гравитацията
Както показва разрезът на балон, показан на фигура 05, действието на гравитацията изтласква водата надолу, причинявайки долната част на помпата да е по-дебела от горната. Това явление е прогресивно с течение на времето и продължава, докато екстремната тънкост на горната стена не причини нейното скъсване.
Но това не е единственият ефект от изтъняването на стената в горната част. Вече видяхме, че водните молекули се привличат взаимно поради полярната си природа, така че когато филмът е достатъчно тънък, между двете лица на филма се появява привлекателна сила, която изхвърля съдържащите се между тях водни молекули. Този ефект добавя към гравитацията и ускорява прекъсването в последната си фаза.