Планета школ

Жидкость без цвета и запаха, знакомая каждому с первых дней жизни, привычная настолько, что мы и не замечаем, что она значит для нас... Задумывались ли вы, что вода — самое удивительное вещество не только на Земле, но и во всей Вселенной? Если начать перечислять свойства воды, которые позволили зародиться жизни, — это выльется в приличный список. К этим свойствам мы еще вернемся в последующих публикациях. А пока — «первое знакомство»: поверхностное натяжение воды. И — развлечения и головоломки, которые оно способно нам подарить!

Поверхностное натяжение, гласит теория, возникает на границе двух поверхностей. Не обязательно вода-воздух: капля масла в воде приобретает форму сферы тоже из-за поверхностного натяжения.

Самым примитивным объяснением эффекта поверхностного натяжения послужит картина молекул, притягиваемых соседними молекулами. Притяжение внутрь жидкости, как и гравитационное, компенсируется давлением изнутри. Извне притяжения нет — в случае границ жидкость-воздух или не растворяющих друг друга жидкостей. Притяжение же молекул вдоль поверхности и создает это самое поверхностное натяжение. Вспомните, как вы увидели в детстве жука-водомерку, бегающего по поверхности воды, и удивились — почему же он не проваливается в воду?..

Можно попробовать осторожно положить на воду канцелярскую скрепку — она будет лежать на воде. То же и с мелкой монеткой. Можно проделать и такой красивый эксперимент: в наполненном до краев стакане воды осторожно «укладывать» на поверхность монетки, — при этом вода поднимается, образуя купол над краями стакана. Купол, увешанный плавающими монетками!

Хороший пример «работы» поверхностного натяжения: брызги на поверхности стола собираются в капельки со скругленными границами. Или струя воды из крана: обратите внимание — сначала она сплошная, но вскоре распадается на отдельные капельки.

В сентябре 2004 года американские исследователи из университета Карнеги Меллона сконструировали прототип крошечного робота, способного перемещаться по поверхности воды. При создании робота ученые взяли за основу метод перемещения водомерок по водным поверхностям. Устройство получило название Water Strider и предназначено для мониторинга окружающей среды.

... А теперь попробуйте в воду с плавающими скрепками и монетками добавить каплю шампуня... Они утонут!

Как же так? Ведь мыло должно увеличивать поверхностное натяжение, мыльный раствор позволяет воде пениться, на этом и основан эффект мыльных пузырей. Почему же предметы тонут?

А потому, что добавление мыла не увеличивает, а уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Это легко объяснить: молекулы мыла, вклиниваясь между молекулами воды, снижают их взаимное притяжение.

А как же все-таки мыльные пузыри?

Дело в том, что при растягивании мыльной пленки концентрация молекул мыла на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Получается, что мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. А еще мыло предохраняет воду от испарения, увеличивая время жизни пузыря. Но зато на «плавучесть» на поверхности воды оно, мыло, влияет губительно.

Вообще, это маленькое разноцветное чудо — мыльные пузыри — связано с целым букетом увлекательных загадок. О них мы и поговорим.

Мыльный пузырь — радужное чудо

Во-первых, это форма. Минимальная поверхность у равных по объему предметов — сфера. Именно ее форму и пытается принять пузырь. Правда, ему мешают потоки воздуха: сначала внутренние, при надувании, потом внешние — от ветерка. Но он упорно старается вернуться к сфере, принимая самые забавные очертания. Давление воздуха внутри пузыря компенсируется «сжимающей» силой поверхностного натяжения.

Интересно, что пузыри сначала поднимаются вверх — когда вдуваемый воздух теплее окружающего, — а потом, по мере остывания, опускаются вниз. Для любителей подумать — вот такой каверзный вопрос:

1. Если слиплись два пузыря равного радиуса, то их граница очевидно плоская. А если слиплись пузыри разных размеров, куда будет выпучена граница — в сторону крупного или меньшего из пузырей?
2. Пузыри иногда объединяются. Какой радиус будет у пузыря, получившегося при слиянии двух одинаковых пузырей радиусом 4 см?
3. Вопрос для читателей, знающих физику на пять: если пузырь влетит с холодной улицы в теплую комнату, его радиус увеличится или уменьшится?
4. И еще — притянется ли пузырь к наэлектризованной расческе?

Подтвердите свои догадки опытами.

Во-вторых, — радужные блики на пузырях, те самые, что превращают наши «мыльные» забавы в настоящий праздник. Это волны света, отражающиеся от внешней поверхности пленки, совмещаются (интерферируют) с волнами, отражающимися от внутренней поверхности. Разница фаз пропорциональна толщине пленки и дает усиление той или иной длины волны в зависимости от толщины. Можно заметить и изменение радужных цветов: желтые и красные тона постепенно переходят в сине-голубые, так как пленка становится тоньше и сдвиг по фазе соответствует цветам с меньшей длиной волны.

Интересны и картины отражения в сферических зеркалах. Это относится не только к пузырям, но и к металлическим шарам: картина искажается, причем чем дальше от ближайшей точки сферы, тем сильнее. Любопытно, что у пузырей видно и отражение от внутренней их поверхности, оно сильно отличается от «внешнего отражения». А при желании можно построить ход падающего и отраженного лучей для этих поверхностей. Внешнее, «панорамное» отражение — все, что «видит» сфера с нашей стороны. «Внутреннее» же может увеличивать или переворачивать изображение в зависимости от расстояния.

Еще увлекательная забава — или серьезное исследование, которое можно проводить самостоятельно: замерзание пузырей. Для выдувания их надо выйти на улицу (естественно, зимой, в мороз). Уже при температуре −15°C он замёрзнет. В воду, кроме шампуня, можно добавить немного глицерина — его продают в аптеках. Или подождите добавлять, — попробуйте «поморозить» пузыри без глицерина, а потом с ним. Для опытов (и не на морозе тоже) хорошо подойдет трубочка от коктейля или пустой стержень от шариковой ручки. А для больших пузырей можно использовать пластиковые бутылки с отрезанным дном.

На морозе пузырь вскоре замерзнет — и, опять-таки, даст повод для разных опытов. Вы убедитесь, что замерзший пузырь — довольно прочный, не хрупкий, при падении не раскалывается на мелкие кусочки. Еще забавно наблюдать сам процесс: как на пузыре появляются центры кристаллизации и от них процесс распространяется на всю поверхность. Есть описания опыта встречи пузыря со снежинкой — для незамерзшего пузыря она станет центром и приведет к его замерзанию...

Рекорды по надуванию пузырей

В последнее время в Сети часто рассказывают о рекордах по выдуванию больших мыльных пузырей. Для этого придуманы различные технологии. Например, можно взять веревку (лучше не синтетическую), длиной примерно в метр, завязать кольцом, прикрепить к двум палочкам таким образом, что, когда мы держим в обеих руках палочки, веревка образует подобие треугольника. Макаем веревку в мыльный раствор, медленно разводим палочки и дуем на получившуюся пленку. Таким образом можно получить пузырь диаметром до метра.

В Сети есть сайт, посвященный большим пузырям, он на английском языке. А Рунет ждет своих мастеров: присылайте фотографии ваших рекордов!

Еще можно заняться определением коэффициента поверхностного натяжения для разных растворов и сочетаний. Большая ошибка — думать, что в физике все давно открыто и открытия делаются в ускорителях и реакторах! Это совсем не так. Вот, например, в журнале «Наука и жизнь» № 4 за 2002 год рассказано, как ученик 8-го класса Дмитрий Завьялов сделал простейшую установку для измерения коэффициента поверхностного натяжения.

Такой простор для опытов! Можно пробовать воду и разные растворы в различных сочетаниях и в разных условиях. Наверняка есть неизвестное сочетание добавок, которое увеличит коэффициент поверхностного натяжения в десятки и даже сотни раз! Найти его — дело случая или везения, но... везет тем, кто работает и пробует! А представьте, как вы прославитесь на весь мир, когда откроете это самое сочетание!!! И, возможно, перевернете устоявшиеся физические подходы к пузырям и к воде в целом.

Присылайте нам описания ваших опытов, с фотографиями и выводами, — они обязательно будут опубликованы. Когда прославитесь — не забудьте популяризировать мыльные пузыри у нас, на Планете школ.