Saippuakupla

Saippuakupla  on ohut monikerroksinen saippuaveden kalvo, joka on täytetty ilmalla, yleensä pallon muodossa , jossa on irisoiva pinta . Saippuakuplat kestävät yleensä vain muutaman sekunnin ja puhkeavat kosketettaessa tai spontaanisti. Lapset käyttävät niitä usein peleissään .

Haurauden vuoksi saippuakuplasta on tullut synonyymi jollekin viehättävälle, mutta tyhjälle ja lyhytikäiselle. Joskus uusien markkinoiden osakkeita verrataan saippuakupliin, jos niiden arvoa infloidaan keinotekoisesti, niitä kutsutaan "paisutetuiksi".

Saippuakupla seinärakenne

Kuplakalvo koostuu ohuesta vesikerroksesta, joka on kerrostettu kahden molekyylikerroksen, yleisimmin saippuan, välissä. Nämä kerrokset sisältävät molekyylejä, joista yksi osa on hydrofiilinen ja toinen hydrofobinen . Hydrofiilinen osa vetää puoleensa ohuella vesikerroksella, kun taas hydrofobinen osa päinvastoin työntyy ulos. Tämän seurauksena muodostuu kerroksia, jotka suojaavat vettä nopealta haihtumiselta ja vähentävät pintajännitystä .

Fyysiset perustat

Pintajännitys ja muoto

Kupla on olemassa, koska minkä tahansa nesteen (tässä tapauksessa veden) pinnalla on jonkin verran pintajännitystä , mikä saa pinnan käyttäytymään elastisena . Pelkästä vedestä valmistettu kupla on kuitenkin epävakaa ja puhkeaa nopeasti. Jotkin pinta -aktiiviset aineet , kuten saippua, liuotetaan veteen sen kunnon vakauttamiseksi . Yleinen väärinkäsitys on, että saippua lisää veden pintajännitystä. Itse asiassa se tekee juuri päinvastoin: se alentaa pintajännityksen noin kolmannekseen puhtaan veden pintajännitystä. Kun saippuakalvoa venytetään, saippuamolekyylien pitoisuus pinnalla pienenee, mikä lisää pintajännitystä . Siten saippua vahvistaa selektiivisesti kuplan heikkoja alueita estäen niitä venymästä edelleen. Tämän lisäksi saippua estää veden haihtumisen, mikä pidentää kuplan käyttöikää entisestään.

Myös kuplan pallomainen muoto saadaan pintajännityksen ansiosta . Jännitysvoimat muodostavat pallon, koska pallon pinta-ala on pienin tietyllä tilavuudella. Tätä muotoa voivat merkittävästi vääristää ilmavirrat ja itse kuplan täyttöprosessi. Jos kupla kuitenkin jätetään kellumaan tyynessä ilmassa, sen muoto tulee hyvin pian lähellä pallomaista.

Jäätyviä kuplia

On näyttöä saippuakuplien jäätymisestä noin -10 °C: n lämpötiloissa [1] . Jotta kupla ei rikkoutuisi jäätyessään, on suositeltavaa täyttää saippuakupla ulkolämpöisellä ilmalla (esim. liikuttamalla rengasta nopeasti), ei lämpimällä suusta tulevalla ilmalla.

Jos täytät kuplan -15 ° C :ssa , se jäätyy koskettaessaan pintaa. Kuplan sisällä oleva ilma vuotaa vähitellen ulos ja lopulta kupla romahtaa oman painonsa alla.

-25°C:ssa kuplat jäätyvät ilmaan ja voivat murtua osuessaan maahan. Jos täytät kuplan lämpimällä ilmalla tässä lämpötilassa, se jäätyy lähes täydelliseen pallomaiseen muotoon, mutta ilman jäähtyessä ja tilavuuden pienentyessä kupla voi osittain romahtaa ja sen muoto vääristyä. Tässä lämpötilassa puhalletut kuplat ovat aina pieniä, koska ne jäätyvät nopeasti, ja jos jatkat niiden täyttämistä, ne räjähtävät.

Bubble Merging

Kun kaksi kuplaa kohtaavat, ne ottavat muodon pienimmällä mahdollisella pinta-alalla. Niiden yhteinen seinä pullistuu suuremman kuplan sisällä, koska pienemmällä kuplalla on suurempi keskikaarevuus ja suurempi sisäinen paine. Jos kuplat ovat samankokoisia, niiden yhteinen seinä on tasainen.

Belgialainen fyysikko Joseph Plateau määritteli kokeellisesti 1800-luvulla säännöt, joita kuplat noudattavat yhdistettyinä, ja Jean Taylor vahvisti matemaattisesti vuonna 1976 . ).

• Saippuakalvot ovat paloittain sileitä pintoja, joiden keskimääräinen kaarevuus on vakio kullakin sileällä alueella.
• Jos kuplia on enemmän kuin kolme, ne sijoitetaan siten, että vain kolme seinää voidaan yhdistää lähelle yhtä reunaa, kun taas niiden väliset kulmat ovat 120 °, koska kunkin kosketuspinnan pintajännitys on yhtä suuri. .
• Pintojen leikkausviivat leikkaavat yhdessä pisteessä neljässä kappaleessa, ja minkä tahansa kahden välinen kulma on yhtä suuri kuin arccos(-1/3)≈109,47°.

Kuplat, jotka eivät noudata näitä sääntöjä, voivat periaatteessa muodostua, mutta ne ovat erittäin epävakaita ja ottavat nopeasti oikean muodon tai romahtavat. Mehiläiset , jotka pyrkivät vähentämään vahan kulutusta , yhdistävät pesien kammat myös 120° kulmassa muodostaen siten säännöllisiä kuusikulmioita .

Häiriöt ja heijastukset

Saippuakuplien värikkäitä "sateenkaaren" värejä havaitaan valoaaltojen häiriön vuoksi, ja ne määräytyvät saippuakalvon paksuuden mukaan.

Kun valonsäde kulkee kuplan ohuen kalvon läpi, osa siitä heijastuu ulkopinnasta muodostaen ensimmäisen säteen, kun taas toinen osa tunkeutuu kalvon läpi ja heijastuu sisäpinnalta muodostaen toisen säteen. Heijastuksessa havaitun säteilyn väri määräytyy näiden kahden säteen interferenssin perusteella. Koska jokainen valon kulku kalvon läpi luo vaihesiirron, joka on verrannollinen kalvon paksuuteen ja kääntäen verrannollinen aallonpituuteen, häiriön tulos riippuu kahdesta suuresta. Heijastuessaan jotkin aallot lisätään vaiheeseen, kun taas toiset ovat epävaiheisia, minkä seurauksena kalvoon törmäävä valkoinen valo heijastuu kalvon paksuudesta riippuen sävyisesti.

Kun kalvo ohenee veden haihtumisen vuoksi, voidaan havaita kuplan värin muutos. Paksumpi kalvo poistaa punaisen komponentin valkoisesta valosta tehden heijastuneen valon sävyn sinivihreäksi. Ohuempi kalvo poistaa keltaisen (jättää sinisen valon), sitten vihreän (jättää magentan) ja sitten sinisen (jättää kullankeltaisen). Lopulta kuplan seinämä tulee ohuemmaksi kuin näkyvän valon aallonpituus, kaikki näkyvän valon heijastuneet aallot summautuvat vastavaiheeseen, emmekä enää näe heijastusta (tummaa taustaa vasten tämä kuplan osa näyttää "musta piste"). Kun näin tapahtuu, saippuakuplan seinämän paksuus on alle 25 nanometriä , ja kupla todennäköisesti puhkeaa pian.

Häiriövaikutus riippuu myös kulmasta, jossa valonsäde osuu kuplakalvoon. Näin ollen vaikka seinämän paksuus olisi sama kaikkialla, havaitsisimme silti erilaisia ​​värejä kuplan liikkeestä johtuen. Mutta kuplan paksuus muuttuu jatkuvasti painovoiman vaikutuksesta, mikä vetää nesteen pohjaan, joten yleensä näemme erivärisiä raitoja, jotka liikkuvat ylhäältä alas.

• Tässä kaaviossa valonsäde osuu pintaan pisteessä X. Osa valosta heijastuu ja osa kulkee ulkopinnan läpi ja heijastuu sisäpinnasta.

• Tämä kaavio esittää kaksi punaista valonsädettä (säde 1 ja 2). Molemmat säteet on jaettu kahteen osaan, mutta olemme kiinnostuneita vain niistä osista, jotka on kuvattu kiinteillä viivoilla. Tarkastellaan pisteestä Y lähtevää sädettä. Se koostuu kahdesta päällekkäisestä säteestä: kuplan seinämän läpi kulkeneesta säteen 1 osasta ja ulkopinnasta heijastuneesta säteen 2 osasta. XOY-pisteiden läpi kulkenut säde kulki pidempään kuin säde 2. Oletetaan, että XOY:n pituus on verrannollinen punaisen valon aallonpituuteen, joten kaksi sädettä summautuvat vaiheeseen.

• Tämä kaavio on samanlainen kuin edellinen, paitsi että valon aallonpituus on erilainen. Tällä kertaa XOY-etäisyys ei ole verrannollinen aallonpituuteen, ja säteet summautuvat vastavaiheeseen. Tämän seurauksena sinistä valoa ei heijastu kuplista, jonka seinämäpaksuus on tällainen.

• Tämä tietokoneella luotu kuva näyttää värit, jotka heijastuu ohuesta vesikalvosta, joka on valaistu polaroimattomalla valkoisella valolla.

Matemaattiset ominaisuudet

Saippuakuplat ovat myös fyysinen esimerkki minimipintaongelmasta , monimutkaisesta matemaattisesta ongelmasta. Esimerkiksi vaikka vuodesta 1884 lähtien on tiedetty, että saippuakuplalla on vähimmäispinta-ala tietylle tilavuudelle, vasta vuonna 2000 osoitettiin, että kahdella yhdistetyllä kupalla on myös vähimmäispinta -ala annetulle yhdistetylle tilavuudelle. Tätä ongelmaa on kutsuttu kaksoiskuplalauseeksi. Lisäksi vasta geometrisen mittateorian myötä pystyttiin todistamaan, että optimaalinen pinta on palasittain sileä eikä loputtomasti katkennut.

Saippuakuplan kalvo pyrkii aina minimoimaan pinta-alaansa. Tämä johtuu siitä, että nestekalvon vapaa energia on verrannollinen sen pinta-alaan ja pyrkii saavuttamaan minimin:

missä  on aineen pintajännitys ja  kalvon kokonaispinta-ala. Optimaalinen muoto yhdelle kuplalle on pallo, mutta useilla kuplilla yhdistettynä on paljon monimutkaisempi muoto.

Bubble show

Saippuakuplashow on sekä viihdettä että taidetta. Näyttävien kuplien luominen vaatii taiteilijalta korkeaa ammattitaitoa sekä kykyä valmistaa laadukas saippualiuos. Jotkut taiteilijat luovat jättimäisiä kuplia, jotka usein kietoutuvat esineiden tai jopa ihmisten ympärille. Toiset onnistuvat luomaan kuplia kuution , tetraedrin ja muiden muotojen muodossa. Usein visuaalisen vaikutelman parantamiseksi kuplat täytetään savulla tai palavalla kaasulla yhdistettynä laservalaistukseen tai avotuleen.

• Bubbleologists (bubbleologists) puhe Yhdistyneessä kuningaskunnassa .

• Saippuakuplat näkyvät. PortAventura . Espanja .

Records

2. maaliskuuta 2017 venäläinen nainen Ljudmila Darina teki Guinnessin ennätysten ennätyksen "Suurin määrä ihmisiä saippuakuplan sisällä" [3]  - 374 ihmistä. 30. tammikuuta 2018 tämä ennätys sisällytettiin myös " Venäjän ennätystenkirjaan "] [4] maailmanennätyksenä.

Tallenna valokuva

Historia

Plateau, Joseph oli yksi ensimmäisistä Euroopassa , joka tutki tieteellisesti saippuakalvojen hahmoja, kuvaili tuloksia ja muotoili ongelman, joka kantaa nimeään: Plateaun ongelma . Yksinkertaisimmassa muotoilussa se voidaan muotoilla seuraavasti: "etsi pienimmän alueen pinta, jota rajaa tietty suljettu tilakäyrä" . Hän ehdotti myös sen fyysistä ratkaisua saippuakalvojen avulla.

Katso myös

• Antibubble
• Tasangon lait

Muistiinpanot

1. ↑ Saippuakuplajäädytys YouTubessa _
2. ↑ M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros Todiste kaksoiskupla- arkistosta Arkistoitu 29. tammikuuta 2019 Wayback Machinessa // Ann. matematiikasta. (2), voi. 155 (2002), nro 2, 459-489.
3. ↑ Useimmat ihmiset saippuakuplan sisällä  (englanniksi) , Guinnessin ennätystenkirjat . Arkistoitu alkuperäisestä 21. maaliskuuta 2018. Haettu 20. maaliskuuta 2018.
4. ↑ Venäjä, Ennätysten kirja . Suurin määrä ihmisiä saippuakuplan sisällä (Maailmaennätys)  (Puola) , VENÄJÄN ennätyskirja . Arkistoitu alkuperäisestä 20. maaliskuuta 2018. Haettu 20. maaliskuuta 2018.

Kirjallisuus

• "Charles V. Boys" Saippuakuplat. Niiden värit ja voimat, jotka muovaavat niitä. — Dover Publications, New York 1990, ISBN 0-486-20542-8
• "Cyriel Isenberg" Saippuakalvojen ja saippuakuplien tiede. — Tieto Books, Clevedon North Somerset, 1978, ISBN 0-905028-02-3
• Ya. E. Geguzin "Kuplat"
• Flash-opastus saippuakuplien tekemiseen kotona
• Giant Stinson Beach Bubbles Valtavia saippuakuplia (video)
• Perelman Ya.I. Viihdyttävää fysiikkaa. Kirja 1. Moskova: Nauka, 1979. 133 s. Luku 5. Nesteiden ja kaasujen ominaisuudet. Saippuakuplat// https://www.eduspb.com/public/books/nauch_pop_uch/perelman_fizika1.pdf