Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Почему не лопается мыльный пузырь, который вы выдуваете через колечко или трубочку, чтобы порадовать себя или ребенка? Зачем нужно мыло или какое-нибудь другое моющее средство? Можно ли выдуть пузыри из воды? Почему мыло с добавлением глицерина пенится дольше? (Смешайте стиральный порошок, воду и глицерин в соотношении 1:3:3.) Почему жидкость в оболочке пузыря просто не стекает вниз, разрывая верхушку пузыря?

Почему пена на налитом в кружку пиве держится гораздо дольше, чем пена на газированной воде? Почему со временем пена на пиве оседает?

ОТВЕТ •Оболочка мыльного пузыря — очень тонкий слой воды с молекулами поверхностно-активного вещества, собирающимися на его внутренней и внешней поверхностях. Один из концов молекулы ( гидрофильный ) погружен в воду. Другой ее конец ( гидрофобный ) торчит из поверхности. Силы, удерживающие мыльный пузырь, обусловлены поверхностным натяжением — взаимным притяжением молекул воды. Однако у чистой воды поверхностное натяжение слишком большое, поэтому выдуть пузырь из плоской тонкой пленки воды не удается. Молекулы моющего средства, собравшиеся на поверхности пузыря, настолько уменьшают поверхностное натяжение, что пузырек не схлопывается. Кроме того, слои этих молекул придают оболочке устойчивость.

Под действием силы тяжести жидкость в оболочке пузыря стекает вниз. Однако, когда верхушка пузыря утончается, взаимное отталкивание молекул мыла на внутренней и внешней его поверхностях замедляет или вообще останавливает этот процесс. Если с какого-то участка вода вытечет вся, на поверхности пузыря образуется отчетливо видимое черное пятно и вслед за этим пузырь лопается. Черное пятно — это область, где вода вытекла вся и есть только два слоя молекул мыла. Этот слой почти не отражает света, и мы его не видим.

Глицерин стабилизирует мыльные пузыри, поскольку благодаря своей большой вязкости (внутреннему трению) замедляет стекание вниз воды в оболочке пузыря и, кроме того, затрудняет испарение воды из пузыря.

В оболочке пузыря пивной пены жидкость стекает медленно, и поэтому оболочка утончается постепенно, до тех пор, пока пузырь не лопнет. Стекание замедляют определенные молекулы, притягивающиеся как друг к другу, так и к жидкости. В других газированных напитках, где образование долго держащейся пенной шапки нежелательно, подобные стабилизаторы не используются. Если добавить масла, пена в кружке пива может осесть почти мгновенно. Такое часто случается, если пивом запивают что-нибудь жареное или пьют его с накрашенными губами. Там, где масло касается пузыря, поверхностное натяжение уменьшается и окружающая жидкость буквально разрывает его.

Оболочки пузырей истончаются еще и потому, что жидкость втягивается в искривления в местах контакта нескольких пузырей. Правила, в соответствии с которыми соединяются вместе несколько пузырей, в XIX веке установил бельгийский ученый Жозеф Антуан Фердинан Плато. Их называют правилами Плато, а области, по которым пузыри соприкасаются , — границами Плато . Вследствие поверхностного натяжения давление в жидкости определяется кривизной ее поверхности: чем больше кривизна, тем меньше давление внутри жидкой оболочки. Это значит, что если границы Плато искривлены, давление жидкости меньше, чем при плоской области соприкосновения. Поэтому жидкость оттекает от плоских участков поверхности соприкасающихся пузырей.

Есть по крайней мере две причины, почему протеиновые молекулы оболочек пузырей позволяют стабилизировать пивную пену. 1. Они увеличивают вязкость и тем самым замедляют сток жидкости. 2. Эти молекулы препятствуют сторонам оболочки сблизиться настолько, чтобы порваться при случайном повреждении, что делает возможным объединение ( слияние ) двух пузырей в один.

Даже если оболочки пузырьков стабильны, пена на пиве постепенно меняется, поскольку через них диффундирует (проходит) углекислый газ. В результате на верхушке пены из пузырей выходит газ и они уменьшаются в размере. Маленькие пузырьки сжимаются быстрее больших, поскольку их кривизна больше и за счет поверхностного натяжения газ в них сжат сильнее, чем в больших пузырьках. Маленькие пузырьки сжимаются еще и из-за того, что сжатый углекислый газ диффундирует из них в соседние пузырьки большего размера, кривизна которых меньше и, следовательно, они меньше сдавлены. Таким образом, большие пузырьки могут расти за счет соседних маленьких пузырьков.

Один из способов, позволяющих замедлить диффузию и не допустить оседания пены, — использовать газообразный азот вместо углекислого газа. Через жидкую оболочку этот газ диффундирует медленнее, и пена на таком пиве более стойкая. Поэтому, чтобы налить его в кружку и не выплеснуть почти всю пену, надо проявить терпение.

Другой способ замедлить диффузию — охладить пивную кружку. Поскольку пузырьки образуются вдоль ее стенок, пена сверху будет состоять из пузырьков, внутри которых газ холоднее. Понижение температуры замедляет диффузию молекул газа через водяную оболочку.

Иногда пузырьки на верхушке пенной шапки на бокале неожиданно исчезают. Такой процесс называют каскадный взрыв . В этом случае пузырьки наверху пены высыхают и становятся хрупкими. Когда один из пузырьков лопается, колебания, передающиеся через пену или по воздуху, инициируют разрушение остальных.

Если бутылку крепкого пива резко опрокинуть в бокал, то оно, естественно, начнет вытекать из горлышка. Однако поток пива колеблется, говорят, что пиво булькает : с одной стороны горлышка бутылки прерывисто льется пиво, а с его противоположной стороны прерывистый поток воздуха направляется в бутылку. Если горлышко бутылки опустить в пену над налитой жидкостью, воздушный поток захватит пену и начнет втягивать ее в бутылку. Кончится это тем, что бокал будет наполнен пивом, а бутылка — пеной.

Почему, когда на поверхности жидкости, например воды, лопается пузырек, в воздух взлетают крошечные капельки? Почему, если один из пузырьков в слое пузырьков шампанского лопается, соседние пузырьки, словно лепестки, собираются вокруг него, образуя фигуру, похожую на цветок?

Мыльный пузырь, который мы выдуваем через пластиковое колечко или трубочку, прежде чем лопнуть, парит в воздухе. Он исчезает мгновенно? Куда деваются все молекулы мыла и воды?

ОТВЕТ •Пузырек на поверхности жидкости лопается из-за того, что жидкость из тонкого слоя, образующего верхушку пузырька, стекает вниз, и в итоге этот слой разрывается. Стекающая вниз жидкость ударяется о нижнюю часть пузырька и в виде струи (столбика воды) отскакивает вверх. Струя нестабильна, и поверхностное натяжение быстро разрывает ее на капли. Это те капли, которые выбрасывает в воздух лопнувший пузырек.