A szappanbuborék szépsége - Naukas
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.
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.