Ещё  Марк Твен сказал,что «мыльный пузырь - самое красивое и самое совершенное, что существует в природе». « Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете всю жизнь заниматься его изучением, не переставая  извлекать  из него  уроки  физики». Писал известный английский физикУильям Томсон Кельвин.  
Вот мы решили рассмотреть связь физики и мыльного пузыря.

Цель работы: изучение кристаллизации мыльного пузыря и выявление зависимости скорости кристаллизации от доли мыльного средства в растворе.

Методы исследования:анализ, наблюдение, эксперимент, гипотеза.

Гипотеза :Зависит ли скорость кристаллизации мыльного пузыря от доли мыльного вещества в растворе. В результате работы подтвердим или опровергнем данную гипотезу, а также выявим эту зависимость.

Наверное, все в детстве любили выдувать мыльные пузыри, ведь это очень интересное занятие. А изучать их с точки зрения физики – не менее занимательно. Начнем со строения пленки мыльного пузыря. Пленка пузыря образована тремя слоями, состоящими из молекул: наружный – из молекул мыла, средний – из молекул воды (с некоторым содержанием молекул мыла, расположенных беспорядочно), внутренний – также из молекул мыла. Молекула мыла имеет такую структуру: один ее конец является гидрофильным (взаимодействует с водой), т.е. обращен к поверхности водного слоя пленки, а другой гидрофобным (который отталкивает воду), т.е. обращен противоположно другому концу.Молекулы мыла адсорбируются на поверхности воды, тем самым уменьшая поверхностное натяжение воды.  Пузырь должен принять такую форму, чтобы площадь его поверхности была минимальна. Газ, находящийся в самом пузыре, стремится расшириться, а пленка пузыря наоборот, стремится максимально уменьшить свою внешнюю поверхность. Поэтому пузырь должен иметь форму с наименьшей площадью поверхности при данном объеме. Это-шар.Молекулы мыла выстраиваются на поверхности водной пленки одним слоем, и не дают испаряться воде в пленке, тем самым пленка не истончается. Но, как известно из наблюдений, пленка при выдувании пузыря растягивается. Об этом свидетельствует увеличение объема пузыря. Объем пузыря может увеличиваться до тех пор, пока молекулы мыла способны покрыть всю поверхность пленки. В противном случае в местах, где молекул мыла нет, водная часть пленки испаряется, истончается, и пузырь лопается.

Кристаллизация пленки мыльного пузыря – это переход жидкой пленки в твердое состояние. Это происходит следующим образом. Сначала пленка мыльного пузыря начинает мутнеть – она переохлаждается, затем происходит кристаллизация. В дальнейшем пузырь начинает покрываться узорами, похожими на узоры, которые образуются на стекле – он кристаллизуется. При наблюдении за пузырем, надутым при комнатной температуре, можно увидеть движения небольших потоков воды вниз (это происходит вследствие силы тяжести), а также его вращение. В объеме пузыря температура между поверхностями  неодинакова, поэтому возникают различные воздушные потоки, действующие с некоторой силой на внутреннюю поверхность пленки. Эти силы и вызывают вращение пузыря.  В процессе кристаллизации мыльного пузыря эти движения и вращение  постепенно замедляются и в итоге прекращаются вообще.

При замораживании пузыря он, находясь на трубочке, через некоторое время отделяется от нее.

Если закристаллизовавшийся мыльный пузырь упадет на поверхность, он не лопнет и не разлетится на осколки. Пленка  такого пузыря пластична, поэтому на нем появятся вмятины, искажения, в некоторых местах части пленки закрутятся в трубочку. Пластичность пленки объясняется малостью ее толщины.По всей толщине поликристаллической пленки обычно располагается один монокристаллик. Если на пленку действует какая-либо деформирующая сила, монокристаллики могут скользить относительно друг друга, тем самым пленка приобретает пластичность.

Теперь ответим на вопрос: «Почему пузырь, надутый теплым воздухом, в процессе кристаллизации деформируется?» Пузырь имеет форму сферы. А это значит, что при комнатной температуре давление воздуха на внутреннюю сторону пленки пузыря равно давлению атмосферного воздуха на внешнюю сторону пленки пузыря.  Мы надували пузырь теплым воздухом, при перенесении пузыря в морозильную камеру, воздух в объеме охлаждался. Давление внутри пузыря становится меньше, чем давление окружающего воздуха.  Окружающий воздух действует на пленку с большей силой, чем воздух внутри пузыря. Эта сила и вызывает деформацию – местами пленка пузыря оказывается вогнутой в объем пузыря.

Чтобы проверить нашу гипотезу,сделаем следующее:

1.Для начала измерим температуру в морозильной камере, она равна  -18 С.

2.Возьмем 4 мензурки, шприц, моющее средство и воду. Объем раствора в мензурках -  60 мл (60 мл = 100 %).

3. Сделаем раствор №1 с содержанием моющего средства 1%.

 Расчеты: 60 мл = 100 %,  значит 0.6 мл = 1 % (содержание  

 моющего средства). 60 мл – 0.6 мл = 59.4 мл (объем воды).

4.С помощью шприца наберем в мензурку рассчитанное

 количество воды и моющего средства. В процессе диффузии  мыльное средство растворится в воде.

5.Далее сделаем следующие три раствора по вышеописанному.

6.Надуем мыльный пузырь из 1%-ного раствора, поместим его в

морозильную камеру и включим секундомер. Как известно, мыльный пузырь вращается и при кристаллизации его вращение замедляется. Выключим секундомер тогда, когда вращение пузыря закончится, он остановится (это можно увидеть невооруженным глазом). При окончании вращения пузырь падает на поверхность в морозильной камере.

 7.Зафиксированное секундомером время кристаллизации пузыря:   из 1%-ного раствора 15.25 сек. - 15.2 сек.

Из 25%-ного раствора 20.75 сек. - 20.8 сек.

Из 50%-ного раствора 28.72 сек. ~ 29 сек.

Из 80%-ного раствора 37.94 сек. ~ 38 сек.

На основе опытов построим графики и диаграммы для моющих средств Аос и Ферри.

Получается, что скорость кристаллизации мыльного пузыря зависит от доли моющего средства. И чем меньше доля средства, тем быстрее кристаллизация.

Значит, можно сказать, что предложенная  гипотеза  верна. Подкрепим это еще одним опытом.

1.Возьмем 2 стакана: один с водой, второй с мыльным средством и поставим их в морозильную камеру одновременно.

2.Приблизительно через 25 минут достанем их из морозильной камеры.  

3.Теперь проверим их на «степень кристаллизации».  Для этого поместим палочку  сначала в стакан с мыльным средством , а затем с водой.                                                                    

Вода оказалась тверже, значит, она быстрее закристаллизовалась, скорость ее кристаллизации больше.

Получается, предложенная гипотеза «Скорость кристаллизации  мыльного пузыря зависит от доли мыльного средства в растворе» верна и подлежит подтверждению. Также верно утверждение «Чем меньше доля мыльного средства, тем быстрее происходит кристаллизация пузыря».

Теперь рассмотрим, что происходит с мыльным пузырем при его переходе из области с комнатной температурой в область пониженной температуры.Для этого нужно надуть пузырь над морозильной камерой (на высоте приблизительно 30-40 см) и пустить его в свободное падение. При этом наблюдается явление: Сначала пузырь свободно падает, затем, встретив на своем пути область пониженной температуры, начинает подниматься вверх до определенного уровня (до  выравнивания  температур внутри пузыря и морозильной камеры). Это происходит потому, что теплый воздух легче холодного (плотность теплого воздуха  меньше), и  пузырь, наполненный теплым воздухом, поднимается вверх под действием выталкивающей силы

Выводы:

1.      Пузырь, надутый теплым воздухом, в процессе кристаллизации деформируется. Деформация пузыря происходит из-за разности давлений в объеме пузыря и окружающего воздуха.

2.       Скорость кристаллизации мыльного   пузыря зависит от доли мыльного средства в растворе. Чем меньше доля, тем быстрее кристаллизация.

3.      При падении пузыря из области с комнатной температурой в область пониженной температуры (-18 С), он начинает подниматься вверх под действием выталкивающей силы.