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.
Най-простото решение е да се разтвори във водата определено количество повърхностно активно вещество, като сапун. Резултатът е, във всеки случай, намаляване на повърхностното напрежение до една трета от първоначалната стойност на чиста вода.
Искам да отбележа, че по време на следващото обяснение ще се позова на сапуна, защото той е най-старото и най-използваното в историята вещество, но могат да се използват и други вещества, принадлежащи към групата, наречена повърхностноактивни вещества, които предлагат подобни, ако не и по-добри свойства и резултати.
Връщайки се към сапуна, ще кажем, че това е сол, обикновено натрий или калий, от липид от растителен произход (масло) или от животински произход (мазнини). Молекулата на сапуна, като повърхностноактивно вещество, има особеността да може да се смесва с вода и с мазнини или масла, въпреки че те не се смесват помежду си. Молекулярната структура на сапуна се състои от хидрофилна полярна част (главата) и хидрофобна неполярна опашка (обикновено органична верига от 12 до 18 въглеродни атома). Тоест главата привлича вода, докато опашката я отблъсква.
Фигура 06: Молекулярна структура на сапуна
В сапунена вода сапунът има тенденция да се концентрира върху повърхността на сместа, тъй като неполярната част на молекулата няма да се смеси с водата и ще бъде изтласкана. Следователно неполярната опашка ще бъде ориентирана в радиална посока, далеч от повърхността.
Фигура 07: Опростена структура на помпоз и път на светлинните лъчи
Фигурата показва концентрацията на сапун върху вътрешната и външната повърхност на балон, както и траекторията на светлинен лъч, който го удря, което ще бъде обсъдено по-късно. Някои молекули сапун са пропуснати за яснота.
Филмът от сапунена вода също претърпява изтъняване на горната си част поради гравитационния ефект, но в тънките области се появява електростатично отблъскване поради отрицателните заряди на полярните глави, които дори могат да компенсират гравитационното действие и гореспоменатото преди това. По този начин добавянето на сапун коригира или поне облекчава посочените първи две причини за унищожаване.
Фигура 08: Разрез на вертикална стена, показващ гравитационния ефект и електростатичното отблъскване
Молекулите на сапуна, разположени на повърхността, ще изместят водните молекули към центъра на течната мембрана, следователно повърхностното напрежение ще намалее, колкото по-голямо е присъствието на водни молекули. Когато повече повърхностни молекули сапун не се поберат на повърхността, те проникват в течността, образувайки малки групи, наречени мицели.
Разликите в повърхностното напрежение в различните региони на балона, поради нередности в местното разпределение вода/сапун, карат сапуна да се преразпределя, намалявайки тези разлики. Ето как сапунът стабилизира балона и този феномен, наречен ефект на Марангони, е това, което позволява на балончето да набъбне, без да го разрушава, като временно избягва последствията от гореспоменатите действия. Освен това, покривайки повърхността на мехурчето, сапунът, който не е летлив, забавя загубата на вода чрез изпаряване.
Като любопитство, да ви кажа, че се казва, че любителят на сапунени мехурчета Айфел гипс е успял да направи един последен за повече от година! Всички сме се сблъскали с трудността, която това води, и то е, че за получаването на такива дълготрайни мехурчета е необходима специална „рецепта“ за количествата вода и повърхностноактивно вещество, които го съставят. За съжаление Айфел винаги пазеше тайната си.
На този етап, с по-пълен поглед върху структурата на помпи, можем да завършим нейното определение:
Сапунен мехур може да се разглежда като изключително тънък лист вода, поставен между два слоя сапунени молекули. Въздухът, съдържащ се в помпата, добавя налягане отвътре, което се компенсира от атмосферното налягане отвън, към което се добавя и натискът, упражняван от самия филм, причинен от повърхностно напрежение. В резултат на споменатото повърхностно напрежение повърхността на помпата приема, при липса на външни сили, сферичната форма, която съответства на състоянието на по-ниска повърхностна енергия (минимално съотношение повърхност/обем).
Цветен
Красивите, живи и променящи се цветове, които сапунените мехурчета ни предлагат, не се дължат на никакви оцветители, чиято ефективност би била практически нулева поради екстремната тънкост на стената, а са следствие от „сандвич“ подреждането на филмите сапунена вода -сапун и се дължат на явлението, известно като интерференция. Течността, използвана за издухване на мехурчетата, почти няма никакъв цвят и във всеки случай е без значение.
Да се върнем към фигура 07 и да наблюдаваме пътя на светлинен лъч. Излъчен от източник, той удря външния сапунен слой, където се отразява частично, отива към окото на наблюдателя, а отчасти се пречупва и преминава през слоя вода, достигайки най-вътрешната повърхност. Там, след намирането на вътрешния сапунен слой, той отново се разделя и една част се пречупва и губи за наблюдателя, а друга се отразява, преминава отново през средния слой вода и накрая се пречупва на външния интерфейс сапун-въздух и насочва наблюдателя по път, успореден на този на първичния отражен лъч.
Фигура 09: Последователни траектории на лъча
Фигура 09 показва увеличение на интересуващата област. В него можем да оценим как падащият лъч се разлага, пречупванията според закона на Снел и последователните огледални отражения от втори и по-висок ред. Всъщност, когато гледаме балон, се оценява само първичният отражен лъч OB и вторичния лъч DC. Последователните лъчи не се виждат поради интензивното затихване, което се получава при последващите отражения и пречупвания.
Очевидно е, че отразеният от вътрешната повърхност лъч изминава по-голямо разстояние от лъча, отразен директно от външната повърхност, като разликата е тази между дължините на оптичните пътеки ЕО Y. OFD. Като се вземе предвид показателят на пречупване на въздуха (n1 = 1) и този на сапунения разтвор (nдве = 1,4), разликата в дължините ∆l е равна на:
Освен това, според закона на Snell:
заместване на EO, OF и FD за техните изрази като функция от ъглите и дебелината и от помпозността се получава израз на типа:
Тоест, най-голямата дължина, измината от вторичния лъч, е функция на:
- Ъгълът на падане на светлинния лъч,
- Дебелина на филма и
- Показателите на пречупване (в случай на въздух като среда, n1= 1 и може да варира само n2 от различната концентрация на сапун в различни части на филма).
При тези три променливи количеството стойности, които разликата в пътуванията може да приеме, е очевидно огромно. Нека да видим сега как възникват цветовете на помпозността и защо се променят.
Двата лъча OB и DC са успоредни и много близки, така че когато ударят точка (на нашата ретина) и се рекомбинират, те произвеждат известния феномен на интерференция между вълните. Когато два лъча се намесват в синхрон, така че техните върхове и долини (строго погледнато, трябва да кажем максимуми и минимуми) съвпадат горе-долу точно, амплитудите им се сумират и полученият се засилва. В случай на пълна синхронизация се казва, че лъчите са във фаза и получената максимална амплитуда е сумата от отделните максимални амплитуди. В този случай говорим за конструктивна намеса. Разстоянието между два последователни хребета или долини се нарича дължина на вълната, тя е представена с гръцката буква λ и това е основна характеристика на всяка вълна.
Фигура 10: Конструктивна намеса
Ако, напротив, максимумите и минимумите са изправени един срещу друг, амплитудата на резултанта е разликата, която в краен случай на пълно противопоставяне (във фазово противопоставяне) може дори да отмени комбинирания сигнал. Това е така наречената разрушителна намеса, илюстрирана на фигура 11.
Фигура 11: Частично разрушителни смущения
По този начин, ако вълните са във фаза, сигналът се засилва и ако те са в опозиция той се отслабва или отменя. Не е трудно да се види, че синхронизацията възниква, когато дължините на вълните съвпадат и разликата в пътя ∆l има дължина, равна на нула, или цяло число на дължините на вълните (N λ). (N λ/2).
∆l = N λ + λ/2 = (N + 1) λ/2 -> Условие за конструктивна намеса
В обобщение, иридесценцията, т.е. последователността на красивите и внушаващи цветове с течение на времето, се дължи на вариацията на параметрите, които определят пътя на лъчите:
В този пост съм разработил само част от цялата наука, съдържаща се в сапунен мехур. Надявам се, че е послужило, за да ви покаже, че познаването на нещо по-задълбочено, разбирането на това, което се случва, го прави още по-завладяващо.
* В началото статията използва термините помпозност и балон като синоними, тъй като последният е начинът, по който сапунените мехурчета са известни в Еквадор, Перу, Мексико, Аржентина, Чили, Уругвай и други страни от Латинска Америка. Но след коментара на Клауди Манс и за да не доведе до грешка, избрах да обединя всичко с помпи.
Библиография
Walker, J., «Работилница и лаборатория», Изследвания и наука, nº 28, ноември 1978 г., стр. 156-162