Bańka mydlana - Soap bubble

Bańka mydlana.
Zdjęcie pojedynczego światła bańka mydlana podjęta w makrofotografii.
Pojedyncza bańka mydlana z trzema warstwami.
Dziewczyna dmuchanie baniek.
Kilka bąbelków tworzy pianę.

Bańka mydło jest bardzo cienka błona z mydłem, wodą zamykając powietrze tworzy wydrążenie kuli z opalizujący powierzchni. Bańki mydlane zwykle utrzymują się tylko przez kilka sekund, po czym pękają, same lub w kontakcie z innym przedmiotem. Są one często wykorzystywane dla przyjemności dzieci, ale są również wykorzystywane w występach artystycznych . Połączenie kilku baniek powoduje powstanie piany .

Kiedy światło pada na bańkę, wydaje się, że zmienia kolor. W przeciwieństwie do kolorów widzianych w tęczy, które powstają w wyniku załamania różnicowego, kolory widziane w bańce mydlanej powstają w wyniku interferencji światła odbijającego się od przedniej i tylnej powierzchni cienkiej błony mydlanej. W zależności od grubości folii różne kolory przeszkadzają konstruktywnie i destrukcyjnie.

Matematyka

Bańki mydlane są fizycznymi przykładami złożonego matematycznego problemu minimalnej powierzchni . Przyjmą kształt o najmniejszej możliwej powierzchni zawierającej daną objętość. Prawdziwa minimalna powierzchnia jest lepiej zilustrowana przez film mydlany , który ma równe ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz, a więc jest powierzchnią o zerowej średniej krzywiźnie . Bańka mydlana to zamknięty film mydlany: ze względu na różnicę ciśnień na zewnątrz i wewnątrz jest to powierzchnia o stałej średniej krzywiźnie.

Chociaż od 1884 r. wiadomo było, że kulista bańka mydlana jest najmniej powierzchniowym sposobem zamknięcia danej objętości powietrza (twierdzenie HA Schwarza ), dopiero w 2000 r. udowodniono, że dwie połączone bańki mydlane zapewniają optymalne sposób zamknięcia dwóch danych objętości powietrza o różnej wielkości przy jak najmniejszej powierzchni. Zostało to nazwane przypuszczeniem podwójnej bańki .

Ze względu na te właściwości, folie z bańkami mydlanymi są wykorzystywane do praktycznego rozwiązywania problemów. Inżynier budowlany Frei Otto użył folii z bąbelkami mydlanymi, aby określić geometrię arkusza o najmniejszej powierzchni, który rozciąga się między kilkoma punktami, i przekształcił tę geometrię w rewolucyjne, rozciągliwe konstrukcje dachowe . Słynnym przykładem jest jego pawilon zachodnioniemiecki na Expo 67 w Montrealu.

Fizyka

Scalanie

Bańki mydlane mogą się łatwo łączyć.

Kiedy dwie bańki łączą się, przybierają kształt, który sprawia, że ​​suma ich powierzchni jest jak najmniejsza, zgodna z objętością powietrza, którą otacza każda bańka. Jeśli bąbelki są tej samej wielkości, ich wspólna ściana jest płaska. Jeśli nie są tego samego rozmiaru, ich wspólna ściana wybrzusza się w większy bąbel, ponieważ mniejszy ma wyższe ciśnienie wewnętrzne niż większy, jak przewiduje równanie Younga-Laplace'a .

W punkcie, w którym spotykają się trzy lub więcej bąbelków, układają się one tak, że wzdłuż linii spotykają się tylko trzy ściany bąbelków. Ponieważ napięcie powierzchniowe jest takie samo na każdej z trzech powierzchni, trzy kąty między nimi muszą być równe 120°. Tylko cztery ściany pęcherzyków mogą się spotykać w punkcie, przy czym linie, w których spotykają się trójki ścian pęcherzyków, są oddzielone cos -1 (-1/3) ≈ 109.47°. Wszystkie te zasady, znane jako prawa plateau , określają, jak zbudowana jest pianka z pęcherzyków.

Stabilność

Trwałość bańki mydlanej ogranicza łatwość zrywania bardzo cienkiej warstwy wody, która stanowi jej powierzchnię, czyli mikrometrowej grubości filmu mydlanego . Jest zatem wrażliwy na:

  • Drenaż w filmie mydlanym: woda opada pod wpływem grawitacji. Można to spowolnić zwiększając lepkość wody, na przykład przez dodanie glicerolu. Mimo to istnieje limit wysokości, czyli długość kapilary , bardzo wysoka dla baniek mydlanych: około 13 stóp (4 metry). W zasadzie nie ma ograniczeń co do długości, jaką może osiągnąć.
  • Odparowanie : Można to spowolnić wydmuchując bąbelki w wilgotnej atmosferze lub dodając trochę cukru do wody.
  • Brud i tłuszcz: Kiedy bańka dotknie ziemi, ściany lub naszej skóry, zwykle rozrywa film mydlany. Można temu zapobiec zwilżając te powierzchnie wodą (najlepiej z dodatkiem mydła).

Zwilżanie

Bańka mydlana zwilżająca ultrahydrofobową powierzchnię
Bańka mydlana zwilżająca płynną powierzchnię

Gdy bańka mydlana styka się z ciałem stałym lub cieczą, obserwuje się zwilżanie powierzchni . Na powierzchni stałej kąt zwilżania bańki zależy od energii powierzchniowej ciała stałego., Bańka mydlana ma większy kąt zwilżania na powierzchni stałej wykazującej ultrahydrofobowość niż na powierzchni hydrofilowej – patrz Zwilżanie . Na powierzchni cieczy kąt zwilżania bańki mydlanej zależy od jej wielkości - mniejsze bąbelki mają mniejsze kąty zwilżania.

Medycyna

Kontaktowe zapalenie skóry

Skład płynu do baniek mydlanych ma wiele receptur z nieco innymi składnikami. Najpopularniejszy zawiera:

Ze względu na obecność mydła do zmywarek często zdarza się, że u dzieci rozwija się zapalenie skóry twarzy lub rąk, którego konsekwencją jest wysypka, obrzęk oczu, wymioty i zawroty głowy.

Bańki mydlane jako niekonwencjonalne obliczenia

Struktury, które tworzą folie mydlane, mogą być zamknięte nie tylko jako kule, ale praktycznie o dowolnym kształcie, na przykład w ramach drucianych. Dlatego można zaprojektować wiele różnych minimalnych powierzchni. W rzeczywistości czasami łatwiej jest je wykonać fizycznie niż obliczyć za pomocą modelowania matematycznego . Dlatego filmy mydlane można uznać za komputery analogowe, które mogą przewyższać konwencjonalne komputery, w zależności od złożoności systemu.

Bąbelki w edukacji

Bąbelki mogą być skutecznie wykorzystywane do nauczania i odkrywania szerokiej gamy pojęć nawet dla małych dzieci. Elastyczność, tworzenie kolorów, powierzchnie odbijające lub lustrzane, powierzchnie wklęsłe i wypukłe, przezroczystość, różnorodność kształtów (koło, kwadrat, trójkąt, kula, sześcian, czworościan, sześciokąt), właściwości sprężyste i wymiarowanie porównawcze, a także bardziej ezoteryczne właściwości bąbelków wymienionych na tej stronie. Bąbelki są przydatne w nauczaniu koncepcji począwszy od 2 roku życia, a skończywszy na latach studiów. Profesor ze szwajcarskiego uniwersytetu, dr Natalie Hartzell, wysunęła teorię, że użycie sztucznych baniek do celów rozrywkowych dla małych dzieci wywarło pozytywny wpływ na obszar mózgu dziecka, który kontroluje zdolności motoryczne i jest odpowiedzialny za koordynację z dziećmi narażonymi na bańki w młody wiek wykazujący wymiernie lepsze umiejętności ruchowe niż ci, którzy nie byli.

Rekreacja

Użyj w grze

Kobieta tworząca bańki za pomocą długiej bańki mydlanej
Bubble Blowing w Dolores Park podczas Dyke Marzec , czerwiec 2019
Adriaen Hanneman , Dwóch chłopców puszczających bańki (ok. 1630)

Bańki mydlane są wykorzystywane jako rozrywka od co najmniej 400 lat, o czym świadczą XVII-wieczne obrazy flamandzkie przedstawiające dzieci puszczające bańki glinianymi fajkami. Londyńska firma A. & F. Pears stworzyła słynną kampanię reklamową swoich mydeł w 1886 roku, wykorzystując obraz Johna Everetta Millaisa przedstawiający dziecko bawiące się bąbelkami. Chicagowska firma Chemtoy rozpoczęła sprzedaż roztworu do bąbelków w latach 40. XX wieku i od tego czasu roztwór do bąbelków cieszy się popularnością wśród dzieci. Według szacunków branżowych detaliści sprzedają rocznie około 200 milionów butelek.

Kolorowe bąbelki

Bańka wykonana jest z przezroczystej wody, która otacza przezroczyste powietrze. Jednak film mydlany jest tak cienki jak długość fali światła widzialnego , co powoduje zakłócenia . To tworzy opalizację, która wraz z kulistym kształtem i kruchością bańki przyczynia się do jej magicznego działania zarówno na dzieciach, jak i dorosłych. Każdy kolor jest wynikiem różnej grubości folii baniek mydlanych. Tom Noddy (który opisywany w drugim odcinku Marcus du Sautoy „s Code ) dała analogii patrząc na kontur mapy pęcherzyków” powierzchni. Wyzwaniem stało się jednak wytwarzanie sztucznie barwionych baniek.

Byron, Melody & Enoch Swetland wynaleźli opatentowaną nietoksyczną bańkę (Tekno Bubbles), która świeci w świetle UV. Te bąbelki wyglądają jak zwykłe, wysokiej jakości „czyste” bąbelki w normalnym oświetleniu, ale świecą po wystawieniu na działanie prawdziwego światła UV. Im jaśniejsze światło UV, tym jaśniej świecą. Rodzina sprzedawała je na całym świecie, ale od tego czasu sprzedała swoją firmę.

Dodanie kolorowego barwnika do mieszanin bąbelków nie powoduje wytworzenia kolorowych bąbelków, ponieważ barwnik przyczepia się do cząsteczek wody, a nie do środka powierzchniowo czynnego. W związku z tym tworzy się bezbarwna bańka z barwnikiem opadającym do punktu u podstawy. Chemik ds. barwników, dr Ram Sabnis , opracował barwnik laktonowy, który przywiera do surfaktantów, umożliwiając tworzenie się jaskrawo zabarwionych bąbelków. Przykładem jest lakton fioletu krystalicznego . Inny mężczyzna, Tim Kehoe, wynalazł kolorową bańkę, która traci kolor pod wpływem ciśnienia lub tlenu, którą teraz sprzedaje online jako Zubbles , które są nietoksyczne i nie plamią . W 2010 roku japońska astronauta Naoko Yamazaki zademonstrowała, że ​​w mikrograwitacji można tworzyć kolorowe bąbelki . Powodem jest to, że cząsteczki wody są równomiernie rozłożone wokół bańki w środowisku o niskiej grawitacji.

Zamrażanie

Zamarznięta bańka mydlana na śniegu w temperaturze -7 ° C (19 ° F).

Jeśli bańki mydlane zostaną wdmuchnięte w powietrze o temperaturze poniżej -15  °C (5  °F ), zamarzną one, gdy dotkną powierzchni . Powietrze wewnątrz będzie się stopniowo dyfundować , powodując kruszenie się bańki pod własnym ciężarem. W temperaturach poniżej około -25 ° C (-13 ° F) bąbelki zamarzają w powietrzu i mogą pękać podczas uderzania o ziemię. Kiedy bąbelek jest nadmuchiwany ciepłym powietrzem, początkowo bąbel zamarznie do niemal idealnej kuli, ale kiedy ciepłe powietrze ostygnie i nastąpi zmniejszenie objętości, nastąpi częściowe zapadnięcie się bąbelka. Bańka, stworzona z powodzeniem w tak niskiej temperaturze, zawsze będzie raczej mała; szybko zamarznie i rozpadnie się, jeśli będzie dalej zwiększany. Zamrażanie małych baniek mydlanych następuje w ciągu 2 sekund po zastygnięciu na śniegu (przy temperaturze powietrza ok. –10...-14°C).

Sztuka

Profesjonalny „bąbelolog” na Targach Truskawek 2009 w Cambridge w Wielkiej Brytanii.
Bańki mydlane w centrum Budapesztu

Występy baniek mydlanych łączą rozrywkę z osiągnięciami artystycznymi. Wymagają wysokiego stopnia umiejętności. Niektórzy wykonawcy używają powszechnie dostępnych na rynku płynów do bąbelków, podczas gdy inni komponują własne rozwiązania. Niektórzy artyści tworzą gigantyczne bańki lub tuby, często otaczając przedmioty, a nawet ludzi. Innym udaje się stworzyć bąbelki tworzące kostki, czworościany i inne kształty i formy. Bąbelki są czasami obsługiwane gołymi rękami. Aby zwiększyć wrażenia wizualne, czasami są wypełnione dymem , parą lub helem i połączone ze światłem laserowym lub ogniem. Bańki mydlane można napełnić łatwopalnym gazem, takim jak gaz ziemny, a następnie zapalić.

Galeria artystów baniek mydlanych przy pracy

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Oprea, Jan (2000). Matematyka filmów mydlanych – eksploracje z klonem . Amerykańskie Towarzystwo Matematyczne (wyd. 1). ISBN  0-8218-2118-0
  • Chłopcy, CV (1890) Bańki mydlane i siły, które je kształtują ; (Przedruk Dover) ISBN  0-486-20542-8 . Klasyczna ekspozycja wiktoriańska, oparta na serii wykładów wygłoszonych pierwotnie „przed młodą publicznością”.
  • Isenberg, Cyril (1992) Nauka o filmach mydlanych i bańkach mydlanych ; (Dover) ISBN  0-486-26960-4 .
  • Noddy, Tom (1982) „Tom Noddy's Bubble Magic” Wyjaśnienia pioniera w dziedzinie bąbelków stworzyły nowoczesną sztukę performance.
  • Stein, David (2005) „Jak zrobić potworne, ogromne, niewiarygodnie duże bąbelki”; (Klutz) Dawniej „The Unbelievable Bubble Book” (1987) zapoczątkował gigantyczny sport bąbelkowy. ISBN  978-1-57054-257-2

Linki zewnętrzne