Научно - исследовательский проект "Тайны мыльных пузырей"

Здравствуйте, уважаемые участники конкурса, уважаемое жюри!

Я, ученик 8 класса Маковского филиала МОУ «Октябрьской средней общеобразовательной школы №2» Никишкин Дмитрий представляю вашему вниманию естественно – научный проект « Тайны мыльных пузырей». Руководитель проекта – учитель физики, математики Бокова Лидия Владимировна.

Однажды я увидел развлекательное шоу мыльных пузырей и был поражен красотой и зрелищностью представления. Мыльные пузыри всегда радовали глаз. За ними интересно наблюдать. Их цвет завораживает. Мне захотелось узнать, от чего зависит их форма, цвет, прочность. Я решил тщательно исследовать это удивительное явление и научится делать разные интересные красочные фокусы с мыльными пузырями, чтобы разнообразить свой досуг и радовать ими своих близких и друзей.

Со своей проблемой я обратился к учителю физики Боковой Лидии Владимировне. Она поддержала идею и подсказала некоторые пути к достижению цели.

Появилась гипотеза: цвет и прочность мыльного пузыря зависят от состава и концентрации мыльного раствора, а форма всегда одинаковая – сферическая.

Объектом моего исследования стали мыльные пузыри.

Предметом исследования: цвет, форма, состав мыльных пузырей.

Цель работы: исследовать физическое явление «выдувание мыльных пузырей», узнать, от чего зависит цвет, форма, прочность мыльного пузыря.

Задачи проекта:

• собрать научную информацию о свойствах мыльных пузырей;

• экспериментальным путём выяснить, от чего зависит прочность, форма и цвет мыльного пузыря;

• найти опытным путем наилучший состав мыльного раствора;

• проанализировать и обобщить полученные материалы;

• Структурирование и оформление исследовательской работы.

Я использовал следующие формы и методы исследования:

• наблюдение;

• эксперимент;

• анализ теоретического и практического материала;

• систематизация и обобщение.

Для реализации своей цели я сначала собрал необходимый теоретический материал. Посетив библиотеки, обратившись к услугам Интернета, я узнал много интересных фактов.

Английский учёный лорд Кельвин, живший в прошлом веке, однажды сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».

Действительно, волшебные переливы красок на поверхности тончайших мыльных плёнок дают возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных пленок помогает изучать законы действия сил между частицами, - тех сил сцепления, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли.

День рождения мыльного пузыря и по сей день остаётся загадкой. Но доподлинно известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев, выдувающих мыльные пузыри.

В 19 веке выпускали открытки с изображением мальчика, пускающего пузыри.

Мыльные пузыри были не только детской забавой, но и объектом для размышлений философов о смысле жизни. Они интересовали и серьёзных ученых. Чарльз Бойс сто лет назад опубликовал фундаментальный труд «Мыльные пузыри», который по сей день является как детской забавной книжкой, так и настольным пособием для физиков-теоретиков и экспериментаторов.

Таким образом, мыльные пузыри радовали детей и взрослых ещё в давние времена. Интересовали художников, учёных на протяжении веков, не оставляя равнодушных и в 21 веке.

В настоящее время мыльные пузыри становятся модными объектами. Сегодня ФАНТАСТИЧЕСКОЕ ШОУ МЫЛЬНЫХ ПУЗЫРЕЙ является одним из самых дорогих проектов мировой развлекательной индустрии.

Мыльные пузыри засветились и в Книге рекордов Гиннеса: в 1996 году Алан Маккей пустил мыльный пузырь длиной 32 метра; в 1997году Фен Янг соорудил самую большую в мире стену из мыльных пузырей высотой около 48 метров и площадью 370 кв. метров; в 2007 году Сем Хист разместил в мыльном пузыре высотой 1,5 метра и шириной 3,3 метра 50 человек.

Мыльный пузырь – тонкая плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью.

Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной, а другая – гидрофобной. Гидрофильная часть привлекается тонким слоем воды, в то время как гидрофобная, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхность натяжения.

Пузырь существует потому, что поверхностное натяжение делает поведение поверхности, похожим на поведение чего-нибудь эластичного. Однако пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло, которое усиливает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная пленка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, уменьшая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнении к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым делая время жизни пузыря еще больше.

В научных статьях и на сайтах в Интернете я встречал множество рецептов раствора для выдувания мыльных пузырей, пробовал их готовить. На слайде указаны самые удачные из них.

Это только малая часть всех рецептов мыльных пузырей, но и из них можно выбрать лучший.

Для определения прочности мыльных пузырей я проделал ряд опытов, позволяющих определить силу поверхностного натяжения в различных мыльных растворов.

В эксперименте я использовал весы чашечные (бытовые), набор разновесов, песок, нитки, пластилин, небольшой кусок проволоки, а также растворы для выдувания мыльных пузырей, сделанные по указанным рецептам. (Мелкий песок, использованный в качестве разновесов, позволяет с большой точностью найти силу натяжения пленки).

Первый Эксперимент «Измерение поверхностного натяжения в мыльной плёнке» заключается в следующем:

Нужно сначала закрепить весы, а затем взять проволочку и согнуть ее в двух местах, одинаково удаленных от концов. После этого к центру проволочки прикрепим ниточку, к другому концу нитки – кусочек пластилина. Пластилин ( вместе с ниткой и проволочкой) прилепим к одной чаше весов, после чего весы уравновесим. Дальше мыльный раствор поместим под чашей весов с проволочкой так, чтобы проволочка полностью погрузилась в жидкость. Потом еще раз все уравновесим и понемногу начнем подсыпать песок в противоположную чашу весов. Как только мыльная пленка на проволочку лопнет, перестанем сыпать песок. После этого взвесим песок и по формуле

σ=mg/2l, найдем коэффициент поверхностного натяжения (в единицах ньютон/метр), величина которого и определяет прочность мыльного пузыря.

Результаты опытов показаны на слайде.

Опыты показали, что из всех приведённых рецептов наилучшим оказался состав №2.

Но качество мыльных пузырей зависит от многих других факторов. Для приготовления мыльного раствора я пробовал использовать разные моющие средства.

Выяснилось, что самые стабильные пузыри получаются при использовании детского шампуня « Ушастый нянь», хорошо показало себя средство для мытья посуды «Миф». Я пробовал использовать разную воду: обычную, кипячёную, дистиллированную, фильтрованную, дождевую. Главное, вода не должна быть жесткой!!! Хорошо работает фильтрованная вода.

Я изучал влияние различных добавок для стабилизации мыльной пены. Для этого я использовал глицерин, раствор сахара и обойного клея. Выяснилось, что раствор из сахара и обойного клея не улучшают мыльную смесь, а из соленой воды с моющей жидкостью вообще ничего не выдуешь.

Я изменял соотношения моющего средства и глицерина и сделал вывод: что наилучший результат получается, если на одну часть глицерина взять четыре части моющего средства и двадцать частей воды.

Кстати, при хранении раствора для мыльных пузырей в открытых сосудах ухудшаются его свойства. Разные условия окружающей среды тоже влияют на качество пузырей, например, лучше избегать пыльного воздуха или ветра. Также, чем больше влажность воздуха, тем лучше, а значит лучше делать пузыри в дождливый день.

Чтобы выявить форму мыльного пузыря, я проделал ещё один эксперимент.

Из проволоки я сделал каркасы разных форм: квадратный, треугольный, неправильной формы и выдувал мыльные пузыри. Результат получался всегда один и тот же. Пузыри были круглые.

Но почему же все – таки пузыри круглые?

Ответ заключается в том, что силы поверхностного натяжения стремятся придать мыльному пузырю максимально компактную форму. Самая компактная форма в природе – это шар (а не куб, например). По закону Паскаля воздух внутри пузыря равномерно давит на все участки его внутренней стенки, образуя шарообразную форму. Эта форма может быть существенна искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической!

Но, приложив внешнее усилие, можно сделать пузырь несферической формы. Если растянуть мыльную пленку между двумя кольцами и потянуть на разрыв, то образуется мыльный пузырь цилиндрической формы. Чем больше размер такого цилиндрического пузыря, тем меньше его прочность. В середине такого пузыря появляется перетяжка, и он делится на два обычных круглых пузыря.

Переливчатые «радужные» цвет мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.

Я предположил, что если в мыльный раствор добавить какое-либо красящее вещество, то пузырь будет не просто радужным, но и цветным. Я проделал ещё один эксперимент.

Добавил в раствор пищевой краситель синего цвета, но пузыри синим не получались: краска просто стекла вниз и оставляла синие пятна на окружающих предметах.

И только в 2008 году жителю американского штата Миннесота Тим Кихо, занимающемуся созданием игрушек, удалось разработать раствор, содержащий специальную краску, которая придает пузырям яркий цвет.

Пятна от пузырей исчезают примерно через 15 минут после того, как они лопаются. Секрет окраски изобретатель не открывает. Сейчас это новшество получило название Zubbles.

Пускать мыльные пузыри не так просто, как кажется. Сначала я думал, что здесь ни какой сноровки не нужно, пока не убедился на деле, что уменье выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство, требующие упражнения.

Дуть в трубочку или воронку нужно медленно, осторожно, спокойно. Освещение должно быть по возможности яркое, иначе пузыри не покажут своих радужных переливов. В результате долгих тренировок я научился производить очень красивые действия с мыльными пузырями.

Я могу делать несколько пузырей друг в друге, мыльный пузырь вокруг цветка, цилиндр из мыльной плёнки, различные фигуры из мыльных пузырей. Я умею делать очень большие пузыри, стену из мыльной плёнки, лавину из множества мыльных пузырей.

Свои умения я продемонстрировал друзьям в школе. Ребят мои фокусы очень заинтересовали. Мы решили устроить «Праздник мыльного пузыря» и показать эту красоту другим ребятам.

Праздник учащимся школы очень понравился. После мероприятия некоторые ребята приносили нам свои рисунки, а ученица 7 класса Хотенцева Любовь даже написала стихотворение о мыльных пузырях:

***

Легкий, воздушный, нарядный,

Летящий, как будто живой.

Он круглый, как шарик, прозрачный,

Воздух и мыло с водой.

Растянута мыльная пленка,

Но что-то ведь держите

И шарик летит легонько

И радует сердце моё.

Я вижу своё отражение,

Летящее в небеса.

Сила поверхностного натяжения

Просто творит чудеса!

Проделав данную работу, я узнал, от чего зависит:

Цвет мыльного пузыря, форма мыльного пузыря, прочность мыльного пузыря.

Экспериментальным путём доказал, что моя гипотеза верна.

Опытным путём я выявил наилучший рецепт смеси.

Я установил:

• что фильтрованная вода – наилучший компонент для мыльного раствора;

• что глицерин – наилучший стабилизатор мыльной пены;

• что детский шампунь – наилучший компонент для мыльного раствора.

Я научился выполнять интересные красочные действия с мыльными пузырями и вместе с друзьями провёл развлекательно-познавательное мероприятие « Праздник мыльного пузыря».

В дальнейшем я хотел бы придумать и изготовить устройство, которое само могло бы выдуть мыльные пузыри.