GSA. Мыльные пузыри

Мыльные пузыри

Пуская из тростинки пузыри
И видя, как взлетающая пена
Вдруг расцветает пламенем зари,
Малыш на них глядит самозабвенно.
Старик, студент, малыш - любой творит
Из пены майи дивные виденья,
По существу лишенные значенья.
Но через них нам вечный путь открыт,
А он, открывшись, радостней горит.
Герман Гессе "Игра в бисер"

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. Оно собирает воду в капли, благодаря ему мы можем выдуть мыльный пузырь и писать ручкой. Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. Его используют и в космической технике. Почему же поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой упругой пленке?

Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся в особых условиях. Они имеют одинаковых с ними соседей только с одной стороны поверхности, в отличие от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами.

Поскольку взаимодействие молекул на не слишком малых расстояниях носит характер притяжения, то потенциальная энергия каждой из молекул отрицательна. По абсолютной же величине, в первом приближении, ее можно считать пропорциональной числу ближайших соседей. Поэтому ясно, что у молекул, находящихся в поверхностном слое (число соседей для которых меньше, чем в объеме), потенциальная энергия выше, чем у молекул внутри жидкости. Еще одним фактором увеличения потенциальной энергии молекул в поверхностном слое является то, что по мере приближения к поверхности из глубины жидкости концентрация молекул падает. Разумеется, молекулы жидкости в непрерывном тепловом движении - одни молекулы уходят с поверхности, другие, наоборот, падают на нее. Но можно говорить о средней добавочной потенциальной энергии поверхностного слоя жидкости.

Приведенные соображения показывают, что, для того чтобы извлечь молекулу на поверхность, сторонним силам необходимо совершить некоторую полезную работу. Избыток потенциальной энергии молекул, находящихся на участке поверхности единичной площади, по сравнению с потенциальной энергией, которой обладали бы эти же молекулы в толще жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения и является численной характеристикой этой работы. Известно, что из всех возможных состояний системы устойчивым является то, в котором ее энергия минимальна. В частности, и поверхность жидкости стремится принять такую форму, в которой ее поверхностная энергия в заданных условиях будет минимальна. Именно поэтому жидкость и обладает поверхностным натяжением, стремящимся сократить, уменьшить ее поверхность.

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики»,- писал великий английский физик лорд Кельвин. В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практической роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях.

Однако почему пленки обязательно мыльные? Почему бы не изучать пленку из дистиллированной воды, ведь ее коэффициент поверхностного натяжения в несколько раз превышает коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора.

Дело, оказывается, вовсе не в величине коэффициента поверхностного натяжения, а в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.

Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждому доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря.