Чому мильні бульбашки круглі?

Що таке поверхневий натяг?

Молекули води сильно притягуються одна до одної. Глибоко всередині рідини кожну молекулу однаково тягнуть у всіх напрямках її сусіди — тож сили взаємно зрівноважуються. Але молекула на поверхні не має сусідів над собою. Її тягне вбік і вниз, утворюючи сумарну силу, спрямовану всередину.

Це притягання всередину змушує поверхню поводитися як натягнута пружна мембрана. Ми називаємо це поверхневим натягом. Саме через нього краплі води круглі, дрібні комахи можуть ходити по воді, а мильні бульбашки є сферами.

Чому саме сфера?

Поверхневий натяг змушує поверхню води прагнути бути якомога меншою. Мати площу поверхні «коштує» енергії — що більша поверхня, то більше молекул перебуває на «нещасливій» межі.

За фіксованого об'єму повітря яка форма має найменшу площу поверхні? Відповідь, доведена математикою, — це сфера. Сфера охоплює більший об'єм на одиницю площі поверхні, ніж будь-яка інша форма.

Тож коли бульбашка утворюється, поверхневий натяг стягує плівку, доки вона не досягне мінімально можливої площі поверхні для повітря, замкнутого всередині, — ідеальної сфери.

Як допомагає мило?

Чиста вода утворює краплі, а не тривкі бульбашки. Це тому, що чиста вода має надто високий поверхневий натяг — плівка миттєво розривається.

Молекули мила (поверхнево-активні речовини) особливі: один кінець молекули любить воду (гідрофільний), а інший її ненавидить (гідрофобний). Коли мило додають у воду, молекули мила вишиковуються на поверхні так, що їхні водобоязливі кінці спрямовані назовні. Це різко знижує поверхневий натяг приблизно з 72 мН/м до приблизно 25–40 мН/м.

Мильна бульбашка насправді є дуже тонкою плівкою з двома мильними шарами: одним на зовнішньому боці плівки, одним на внутрішньому. Шар води, затиснутий між ними, має товщину лише кілька сотень нанометрів — саме тому бульбашки «дають» кольори!

Тиск Лапласа

Оскільки поверхня бульбашки викривлена й перебуває під натягом, тиск повітря всередині бульбашки вищий, ніж зовні. Цей надлишковий тиск тримає бульбашку надутою. Це співвідношення вивів П'єр-Симон Лаплас у 1805 році.

ΔP = 4γ / R

Тут ΔP — це різниця тисків, γ — поверхневий натяг мильної плівки, а R — радіус бульбашки. Множник 4 (замість 2) виникає через те, що бульбашка має дві поверхні плівки.

Це також пояснює, чому малі бульбашки мають вищий внутрішній тиск, ніж великі. Коли дві бульбашки зливаються, повітря перетікає з меншої (вищий тиск) до більшої — ось чому менша зменшується, поки більша росте.

Чому бульбашки кольорові?

Тонка мильна плівка спричиняє інтерференцію в тонких плівках. Світло відбивається і від зовнішньої, і від внутрішньої поверхні плівки. Коли різниця ходу між цими двома відбиттями дорівнює цілому числу довжин хвиль певного кольору, цей колір підсилюється (конструктивна інтерференція). Інші кольори взаємно гасяться (деструктивна інтерференція).

Поки плівка стікає й тоншає з часом, різні кольори з'являються по черзі. Безпосередньо перед тим, як бульбашка лусне, плівка стає такою тонкою (менше ніж 100 нм), що всі кольори гасяться — поверхня виглядає чорною або прозорою, що є ознакою того, що бульбашка от-от розірветься.

Спробуй сам

• Змішай 6 частин води, 2 частини засобу для миття посуду й 1 частину гліцерину для дуже довговічних бульбашок. Гліцерин сповільнює випаровування.
• Спробуй видути бульбашку всередині відра з туманним повітрям — інколи можна чітко побачити кольорові смуги тонкої плівки.
• Притисни дві бульбашки одна до одної. Зверни увагу, що з'єднувальна стінка завжди є пласким диском (коли вони однакового розміру) — це закон Плато.