Tudomány, szkepticizmus és humor

Készíts egy szappanbuborékot, és nézd meg: még ha egész életedet annak tanulmányozásának szenteled is, nem hagyod abba az új fizikai tanításokat.

Gyerekként élvezte a szappanbuborékok fújását, szemlélve színei szépségét, törékenységét. Most, a bennük rejlő tudománynak köszönhetően, még szebbnek tűnnek számomra.

Ebben a bejegyzésben arra kérlek benneteket, hogy osszák meg velem ezt az új külsőt.

Meghatározás

A szappanbuborék * egy rendkívül vékony szappanos vízréteg, amely bizonyos mennyiségű levegőt elzár, egy üreges gömböt képezve, amelynek felülete irizáló.

A pompa falának rendkívüli soványsága, valamint szerkezetének instabilitása, amelyre később összpontosítok, azt jelenti, hogy szokásos körülmények között rövid, néhány másodperces fennállása van, akár spontán törés, akár érintkezés útján. valamilyen tárgyzal. Lehetséges azonban olyan buborékok megszerzése, amelyek megfelelően kezelve hónapokig, sőt évekig is kitartanak.

Nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek a szappanos fóliák, amelyek nem zárnak le levegőt vagy semmilyen gázt, és rendkívül vékony lapokból állnak, amelyek szélét huzalok vagy más megfelelő alakú eszközök támasztják alá, a megszerzendő lap alakjától függően.

Az ókortól kezdve a szappanbuborékok játékos, könnyen elkészíthető és olcsó elemek voltak, ami rendkívüli színének köszönhetően nagyon vonzó; a szünet pillanata is bizonyos látványosságot kínál.

szappanbuborék
01. ábra: Adriaen Hanneman két fiú buborékokat fúj (kb. 1630)

Nem nehéz utalásokat találni a művészetek "buborékjaira", mind a festészetben, mind az irodalomban, utalva azok könnyedségére, szépségére, törékenységére és múlandóságára. Így írja Antonio Machado:

Soha nem kergettem a dicsőséget,
sem emlékezetben hagyni
férfiak közül az én dalom;
Szeretem a finom világokat,
súlytalan és szelíd,
mint a szappanhab.

És Roberto Goyeneche (El Polaco) a slágerei közé sorolja a «Pompas de soap» tangót Roberto Goyheneche zenéjével és Enrique Cadícamo szövegével

Sikerül, mert alig vagy
fáradt hús embrió
és miért nevet
édes moduláció.
Ha könyörtelen, az évek,
beadják keserűségüket ...
látni fogja, hogy őrültsége
szappanbuborékok voltak.

Szerkezet

A buborék "bőre" vékony vízrétegből áll, amely két felületaktív anyag-molekula közé szorul, gyakran szappannal. A szerkezet kialakulását lehetővé tevő jelenségek megértéséhez a felületaktív anyagokról és a folyadékok szabad felületén megjelenő fizikai jelenségről kell beszélnünk, amelyet felületi feszültségnek nevezünk.

A nyugalmi anyagot, folyékony vagy szilárd anyagot alkotó molekulákat olyan kohéziós erők vonzzák egymáshoz, amelyek megakadályozzák a testeket abban, hogy ködként nagyon finom porrá vagy apró folyadékcseppekké váljanak. A kohézió minden anyag belső tulajdonsága, amely függ a molekulák alakjától és szerkezetétől, és amely a legkülső elektronok pályájának változásainak tudható be, amikor elég közel kerülnek egymáshoz, ami olyan elektromos vonzerőt hoz létre, amely fenntartja a az anyag felépítése.

A felületi feszültség az összetartás intermolekuláris erejének következménye.

02. ábra: A kohéziós erő okozta felületi feszültség

Képzeljünk el egy folyadék molekuláját, amely számos azonos molekulával van elárasztva és körülvéve. Meg fogja tapasztalni az összes többi vonzó erejét, amely minden irányban körülvesz, és következésképpen az eredő nulla lesz, vagyis nem érzékel semmilyen erőt. Másrészt, aki a felszínen van, csak olyan erőket fogad, amelyek a központ felé és az oldalak felé húzzák (a légmolekulák által kifejtett erő alacsony sűrűségük miatt teljesen elhanyagolható), így nyilvánvaló, hogy lesznek ebből eredő háló a központ felé irányul. Ilyen körülmények között a folyadék mindig megpróbálja kivonni a felszíni molekulákat, a középpont felé irányítani, és a határfelületnek olyan formát adni, amely a lehető legkevesebb molekulát tartalmazza. A folyadék minimalizálja a felületét, és ezt a jelenséget felületi feszültségnek ismerjük.

Más szóval, egy adott térfogatú folyadék számára, amely szabadon konfigurálhatja a felületét, az általa elfogadott forma megfelel a minimális terület alakjának. Gravitáció hiányában a felületet minimalizáló forma gömb alakú. Más szavakkal, a felület feltételezi a minimális energia állapotát egy adott térfogatnál.

Eddig általában folyadékokkal foglalkoztunk, de a szappanbuborékok esetében a folyadék víz, általában valamilyen más anyag kis részarányával, amelynek szerepét később kifejtjük. Nos, kiderült, hogy a víz esetében a kohéziós erő - következésképpen annak felületi feszültsége - erősen poláris jellege miatt rendellenesen magas.

03. ábra: A vízmolekula bipoláris jellege

A vízmolekula két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll, az atomok pedig egy pozitív magból állnak, amely körül elektronfelhő mozog. Az oxigén elektronegativitása nagyobb, mint a hidrogéné, vagyis a hidrogénnel kombinálva nagyobb a képessége az elektronok magához vonzására.

Következésképpen az elektronfelhő az oxigénatom felé mozog, amely negatív pólust eredményez ebben a részben, és pozitív pólust a hidrogén oldalon. Ezért, bár globálisan a molekula semleges, lokálisan, nagyon rövid távolságokon, ugyanúgy dipólusként működik, mint egy mágnes, ha a mágneses pólusokat elektromosra cseréli.

04. ábra: Vízmolekulák közötti kölcsönhatás

A vízmolekulák elektrosztatikusan vonzzák egymást - ezt hidrogénkötésnek nevezik - bipoláris jellegük miatt, és ez lehetővé teszi a folyadék felületének, hogy rugalmas membránként működjön.

Ezért úgy tűnik, hogy van egy folyadékunk, amely nagyobb problémák nélkül képes buborékok fújására vagy vízmembránok lefektetésére. De ha elvégezzük a tesztet, az eredmény teljesen kiábrándító, a buborékok azonnal felrepednek. Ennek több oka is van, de a legfontosabbak a gravitáció hatása, maguk a vízmolekulák közötti vonzalom és a párolgás.

05. ábra: A gravitáció hatását bemutató buborék metszete

Amint azt a 05. ábrán látható szivattyú vágása mutatja, a gravitációs hatás lefelé nyomja a vizet, ami a szivattyú alsó részének vastagabb, mint a felső része. Ez a jelenség az idő előrehaladtával progresszív, és addig tart, amíg a felső fal extrém vékonyága meg nem szakítja.

De nem ez az egyetlen hatása a fal tetejének elvékonyodásának. Láttuk már, hogy a vízmolekulák poláros természetüknél fogva vonzzák egymást, így amikor a film elég vékony, akkor a film két oldala között vonzó erő jelenik meg, amely kiűzi a köztük lévő vízmolekulákat. Ez a hatás növeli a gravitációt és felgyorsítja a törést annak utolsó fázisában.

A legegyszerűbb megoldás bizonyos mennyiségű felületaktív anyag, például szappan feloldása a vízben. Az eredmény mindenképpen a felületi feszültség csökkenése a tiszta víz kezdeti értékének legfeljebb egyharmadával.

Szeretném felhívni a figyelmet arra, hogy a következő magyarázat során a szappanra fogok hivatkozni, mivel ez a legrégebbi és a történelem során legelterjedtebben használt anyag, de a felületaktív anyagok nevű csoportba tartozó egyéb hasonló, ha nem is magasabb tulajdonságokat és eredményeket kínáló anyagok felhasználhatók.

Visszatérve a szappanra, azt mondjuk, hogy növényi eredetű (olaj) vagy állati eredetű (zsír) lipid sója, általában nátrium vagy kálium. A szappanmolekulának, mint felületaktív anyagnak az a sajátossága, hogy képes keverni vízzel, valamint zsírokkal vagy olajokkal, bár ezek nem keverhetők egymással. A szappan molekuláris szerkezete hidrofil poláris részből (a fej) és egy hidrofób nem poláros farokból (általában 12-18 szénatomos szerves láncból) áll. Vagyis a fej vonzza a vizet, míg a farok taszítja.

06. ábra: A szappan molekuláris szerkezete

Szappanos vízben a szappan hajlamos a keverék felületére koncentrálni, mert a molekula nem poláros része nem keveredik a vízzel, és kiszorul. Ezért a nem poláris farok sugárirányban, a felszíntől távolabb lesz.

07. ábra: A fénysugarak pompa és útjának egyszerűsített szerkezete

Az ábra mutatja a szappan koncentrációját egy buborék belső és külső felületén, valamint a fénysugár útját annak ütésekor, amelyet később tárgyalunk. Néhány szappanmolekulát az egyértelműség kedvéért kihagytunk.

A szappanos víz filmje a gravitációs hatás miatt a felső részének is elvékonyodik, de a vékony területeken a poláris fejek negatív töltése miatt elektrosztatikus taszítás jelenik meg, amely akár kompenzálni tudja a gravitációs hatást és az előbbieket vonzereje. korábban. Így a szappan hozzáadása korrigálja vagy legalább enyhíti a rombolás első két okát.

08. ábra: A gravitációs hatást és az elektrosztatikus taszítást bemutató függőleges fal metszete

A felszínen elhelyezkedő szappanmolekulák kiszorítják a vízmolekulákat a folyadékmembrán közepe felé, ezért a felületi feszültség csökken, annál nagyobb a vízmolekulák jelenléte. Amikor már nincs több szappanmolekula a felszínen, behatolnak a folyadékba, kis csoportokat képezve, micellákat.

A felületi feszültség különbségei a buborék különböző régióiban, a helyi víz/szappan eloszlás szabálytalanságai miatt, a szappan újraeloszlását okozzák, csökkentve ezeket a különbségeket. A szappan így stabilizálja a pompát, és ez a Marangoni-effektusnak nevezett jelenség teszi lehetővé a pompa megduzzadását anélkül, hogy elpusztítaná, ideiglenesen elkerülve a fent említett cselekedetek következményeit. Ezenkívül a buborék felületének bevonásával a szappan - amely nem illékony - lassítja a párolgás következtében bekövetkező vízveszteséget.

Érdekességként mondd el, hogy azt mondják, hogy a szappanbuborékok szerelmese, az Eiffel Plasterer több mint egy évig sikerült utolsót elérnie! Mindannyian tapasztaltuk azt a nehézséget, amelyet ez magában hordoz, vagyis hogy az ilyen tartós buborékok megszerzéséhez speciális „receptre” van szükség az azt alkotó víz és felületaktív anyag mennyiségéhez. Sajnos Eiffel mindig megőrizte titkát.

Ezen a ponton, a pompa szerkezetének teljesebb áttekintésével, kiegészíthetjük definícióját:

A szappanbuborék rendkívül vékony vízlapnak tekinthető, amely két szappanmolekularéteg közé szorul. A szivattyúban lévő levegő belülről olyan nyomást ad hozzá, amelyet a külső légköri nyomás kompenzál, és ehhez hozzáadódik a fólia által a felületi feszültség okozta nyomás. Az említett felületi feszültség következtében a szivattyú felülete külső erők hiányában azt a gömb alakot veszi fel, amely megfelel az alacsonyabb felületi energia állapotának (minimális felület/térfogat arány).

Színes

A szappanbuborékok által kínált gyönyörű, élénk és változó színek nem egy olyan színezőanyagnak köszönhetők, amelynek hatékonysága gyakorlatilag semmit sem jelentene a fal rendkívül vékony volta miatt, hanem a szappan-víz filmek „szendvicses” elrendezésének következménye. -szappan, és az interferenciának nevezett jelenségnek köszönhetők. A buborékok fújására használt folyadéknak alig van színe, és mindenesetre lényegtelen.

Térjünk vissza a 07. ábrára, és figyeljük meg egy fénysugár útját. Forrás által kibocsátva eléri a külső szappanréteget, ahol részben visszatükröződik, a megfigyelő szemébe jut, részben pedig megtörik és áthalad a vízrétegen, hogy elérje a legbelső felületet. Ott, amikor megtalálta a belső szappanréteget, újra megosztódik, és az egyik része megtörik és elveszik a szemlélő számára, a másik pedig visszaverődik, ismét áthalad a középső vízrétegen és végül megtörik a külső szappan-levegő határfelületen, és irányítja a megfigyelőt az elsődleges visszavert sugáréval párhuzamos úton.

09. ábra: Egymást követő sugárpályák

A 09. ábra az érdeklődési terület nagyítását mutatja. Láthatjuk, hogyan bomlik le a beeső sugár, a Snell-törvény szerinti fénytörések és az egymást követő második és magasabb rendű tükörreflexiók. Valójában, amikor egy buborékot nézünk, csak az elsődleges visszavert sugár értékelhető OB és a másodlagos sugár DC. Az egymást követő sugarak nem láthatók az intenzív csillapítás miatt, amely a későbbi reflexiókban és törésekben jelentkezik.

Nyilvánvaló, hogy a belső felületről visszavert sugár nagyobb távolságot halad, mint a közvetlenül a külső felületről visszavert sugár, azzal a különbséggel, hogy az optikai utak hossza eltér EO Y OFD. Figyelembe véve a levegő törésmutatóját (n1 = 1) és a szappanoldaté (nkét = 1,4), a ∆l hosszúság különbsége:

Továbbá, Snell törvénye szerint:

az EO, OF és FD kifejezéseket a szögek és a vastagság függvényében helyettesítve és a pompából egy ilyen típusú kifejezést kapunk:

Vagyis a szekunder sugár által megtett legnagyobb hossz a következők függvénye:

  1. A fénysugár beesési szöge,
  2. Film vastagsága és
  3. A törésmutatók (levegő mint közeg esetén n1= 1 és csak változhat n2 a film különböző részeiben a szappan eltérő koncentrációja).

Ezzel a három változóval nyilvánvalóan óriási azoknak az értékeknek a mennyisége, amelyeket az utazási különbségek elérhetnek. Most nézzük meg, hogyan keletkeznek a pompa színei és miért változnak.

A két OB és DC sugár párhuzamos és nagyon közel van egymáshoz, így amikor egy pontra (a retinánkon) ütköznek és újrakombinálódnak, a hullámok közti interferencia jól ismert jelenségét produkálják. Amikor két sugár szinkronban zavarja egymást, így csúcsaik és völgyeik (szigorúan véve maximákat és minimumokat kell mondani) nagyjából pontosan egybeesnek, amplitúdójuk összeadódik, és az így kapott megerősödik. Teljes szinkronizálás esetén a sugarak fázisban vannak, és a kapott maximális amplitúdó az egyes maximális amplitúdók összege. Ebben az esetben konstruktív beavatkozásról beszélünk. Két egymást követő gerinc vagy völgy közötti távolságot hullámhossznak nevezzük, ezt a görög betű képviseli λ és ez bármely hullám alapvető jellemzője.

10. ábra: Konstruktív interferencia

Ha éppen ellenkezőleg, a maximumok és a minimumok egymással szemben állnak, akkor az eredmény amplitúdója a különbség, amely a teljes ellentét (fázisos ellentétben) szélsőséges esetben akár az együttes jelet is meg tudja szüntetni. Ez az úgynevezett romboló interferencia, amelyet a 11. ábra szemléltet.

11. ábra: Részben destruktív interferencia

Így, ha a hullámok fázisban vannak, akkor a jel megerősödik, és ha szemben állnak, akkor gyengül vagy törlődik. Nem nehéz belátni, hogy a szinkronizálás akkor következik be, amikor a hullámhosszak egybeesnek, és az pathl útkülönbség hosszúsága nulla vagy egy egész hullámhosszúság (N λ). Lemondás akkor következik be, ha az utak különbsége fél-egész szám hullámhossz (N λ/2).

∆l = N λ + λ/2 = (N + 1) λ/2 -> A konstruktív interferencia feltétele

Összefoglalva: az irizálás, vagyis a szép és szuggesztív színek egymás utáni egymásutánisága a sugarak útját meghatározó paraméterek variációjának köszönhető:

Ebben a bejegyzésben csak a szappanbuborékban található tudomány egy részét fejlesztettem ki. Remélem, hogy megmutatta neked, hogy valami mélyebb megismerése, a történések megértése csak még lenyűgözőbbé teszi.

* Eleinte a cikk szinonimaként használta a pompát és a buborék kifejezést, mivel ez utóbbi ismeri el a szappanbuborékokat Ecuadorban, Peruban, Mexikóban, Argentínában, Chilében, Uruguayban és más latin-amerikai országokban. De Claudi Mans megjegyzése után, és hogy ez ne vezethessen hibához, úgy döntöttem, hogy mindent pompákkal egyesítek.

Bibliográfia

Walker, J., „Műhely és laboratórium”, Kutatás és Tudomány, 28. sz., 1978. november, pp. 156-162