Определи газы в которых мыльный пузырь наполненный воздухом может плавать весом пузыря пренебречь

Обновлено: 05.07.2024

Участник: Красноруцкий Василий Евгеньевич
Руководитель: Зотова Татьяна Владимировна

У меня есть маленькая сестрёнка, которая любит всех удивлять. Каждый день я поражаюсь ею. И, конечно, я решил сделать для нее сюрприз!

Мыльный пузырь - тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети.

Из истории. В 1997 г. – Фэн Янг соорудил самую большую в мире стену из мыльных пузырей высотой около 48 м и площадью 370 м 2 . Так, в 2007 г. он тоже попал в Книгу рекордов, надув пузырь высотой 1,5 м и шириной 3,3 м, в котором свободно разместились 50 человек.

В мыльном пузыре присутствуют 3 важных элемента:

Остановлюсь на каждой теме и попытаюсь ее раскрыть.

Вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды, например жидкое мыло или детский шампунь. Чем более чистое мыло (без примесей парфюма или других добавок), тем лучший результат может получиться.
Вещества, уплотняющие воду. Наиболее часто используется глицерин (который можно купить в аптеке). Также можно использовать сахар, который лучше растворять в тёплой воде. Однако плотность воды может стать слишком большой, поэтому важно соблюдать умеренность.
Дистиллированная вода. Вода из-под крана содержит ионы кальция, которые связывают мыло. При использовании дистиллированной воды влияние данного эффекта на качество мыльного пузыря значительно ниже.

Это основные компоненты для создания мыльного раствора. В видеоролике будет предложено 3 раствора для мыльного пузыря.

Далее я узнал для чего мне надо знать закон Паскаля. Сейчас я смело могу сказать своей младшей сестре, что мыльный пузырь имеет форму шара, так как давление внутри жидкости или газа во всех направлениях одинаково.

И действительно, почему пузырь имеет форму шара?

Пользуясь источниками интернета, я нашёл ответ на этот вопрос - в мыльном пузыре присутствует тёплый воздух и поэтому мыльный пузырь летает, ведь тёплый воздух легче воздуха. По закону Паскаля можно утверждать, что воздух, внутри мыльного пузыря, будет передаваться во всех направлениях и поэтому пузырь имеет форму шара.

Как же выдуваются мыльные пузыри? Почему некоторые пузыри поднимаются, а потом опускаются?

Для того чтобы выдуть мыльный пузырь необходим хороший мыльный раствор. Мы надуваем мыльный пузырь тёплым воздухом изо рта. Этим воздухом мы создаём силу выталкивания, по которой воздух выталкивает плёнку в трубочке и получается пузырь формы шара. Он поднимается, ведь, как я уже говорил, тёплый воздух легче холодного. Остывая, он опускается, ведь остывший воздух тяжелее тёплого. Здесь всё стало ясно!

Я задался вопросом: Почему мыльные пузыри на солнце переливаются?

Оказалось, что это можно объяснить тоже при помощи физики. Но пока это явление смог узнать информацию от учителя, так как данная тема будет рассматриваться в 8 классе.

Оказалось, что калейдоскоп цветов, которыми переливаются мыльные пузыри, вызывается сложной структурой света и тем, как он отражается от поверхности пузырей. Белый свет состоит из множества цветов, каждый из которых характеризуется собственной длиной волны. Вот так и переливаются мыльные пузыри.

Я надеюсь, что мой проект вам понравится.

При выполнении практических опытов, я помнил о правилах техники безопасности. Я учитывал, что работать с мыльным раствором надо аккуратно, чтобы он не попадал в глаза. Также, размешивая раствор в стеклянной посуде, я работал с ней осторожно.

Когда тепло передается к мыльному пузырю, температура воздуха внутри поднимается и пузырь расширяется, но если пузырь не разрывается, количество воздуха внутри не изменяется. Далее будем пренебрегать изменением поверхностного натяжения с температурой. Тогда из уравнения Менделеева

$\left ( p_ + \frac < r>\right ) \frac r^ = \nu RT, \nu = const$

$\left ( p_ + \frac < 3r>\right ) 4 \pi r^ dr = \nu RdT$

Теперь из первого закона термодинамики

$\bar Q = \nu CdT = \nu C_ dT + \frac< \nu RdT> + \frac > \left ( p_ + \frac \right )$

Учащаяся 8 класса исследует свойства мыльной пленки, применение мыльных ппузырей в различных областях науки и техники.

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЕТЛУЖСКАЯ ШКОЛА № 1

УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ
РАБОТА ПО ФИЗИКЕ

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ –
И В ШУТКУ, И В СЕРЬЁЗ

Руководитель – учитель физики
И.А. Трунова

История исследования мыльных пузырей ……………………….

Применение исследований мыльных пузырей ………………….

Интересные факты о мыльных пузырях. ……………………….

Строение мыльного пузыря. ……………………………………..

Как выдуть мыльный пузырь. ……………………………………

Исследование растворов для мыльных пузырей: …………….

Определение времени жизни мыльного пузыря ……………….

Измерение силы поверхностного натяжения и расчет коэффициента поверхностного натяжения …………………….

Определение зависимости размеров мыльного пузыря …………

Наблюдение мыльных пузырей при добавлении краски в раствор …………………………………………………………….

Наблюдение за мыльными пузырями на морозе ……………….

Используемые источники информации …………………………

Горит, как хвост павлиний,

Каких цветов в нём нет!

Лиловый, красный, синий,

Зелёный, жёлтый цвет!

Огнями на просторе

Играет лёгкий шар.

То в нём синеет море,

То в нём горит пожар…

В нём столько красок было,

Была такая спесь,

А он — воды и мыла

Покупая в магазине раствор для мыльных пузырей, нельзя быть уверенной, что получатся красивые, большие, долгоживущие мыльные пузыри. По крайней мере, мои ожидания он далеко не всегда оправдывал.

Раньше я считала, что мыльные пузыри делаются из воды и мыла. Я перевела кучу шампуня и мыла, но пузыри у меня не получались, а если и получалось выдуть пузырь, то он почти сразу лопался, не успевая долететь до земли. Мне стало очень интересно – что же нужно добавить в раствор, чтобы пузыри были яркими, крупными и крепкими. Я решила изучить историю возникновения мыльных пузырей и секрет раствора.

Я провела анкетирование среди учащихся школы и педагогов о том, как относятся к мыльным пузырям люди, умеют ли выдувать красивые мыльные пузыри и знают ли они состав раствора для мыльных пузырей.

Я выяснила, что мыльные пузыри выдували 97% опрошенных, а 91% нравится это занятие (диаграмма 1)

диаграмма 1.

70% опрошенных покупают раствор для мыльных пузырей в магазине, 60% считают, что мыльные пузыри нельзя сохранять длительное время, 86% не пробовали надувать мыльные пузыри в сильный мороз и 64% не знают состав раствора для мыльных пузырей.

Таким образом, анализируя результаты исследований, я пришла к выводам, что большинство людей надували мыльные пузыри и любят это занятие, но знания о мыльных пузырях у них ограничены. В общем-то, я, как и многие, тоже практически мало что знаю о них.

Чтобы найти ответ на этот вопрос я много работала: читала энциклопедии, книги, журналы, ходила в библиотеку, смотрела информацию в интернете. Проводила эксперименты, наблюдая за мыльными пузырями.

Цель исследования: изучить историю происхождения мыльных пузырей, исследовать свойства мыльных пузырей и возможность их применения на уроках физики и во внеклассной работе, выяснить состав раствора мыльных пузырей.

2. Изучить литературу, информационные ресурсы и источники, рассказывающие о мыльных пузырях и их истории.

3. Исследовать рецепты и приспособления для приготовления мыльных пузырей.

4. Провести различные эксперименты с мыльными пузырями (выявить зависимость размеров и времени жизни мыльных пузырей от используемого средства, вида воды, диаметра используемого инструмента; определить, влияет ли на цвет мыльных пузырей добавление красителей), в том числе и в условиях мороза.

5. Организовать шоу мыльных пузырей для учащихся начальной школы.

Объект исследования: мыльные пузыри

Предмет исследования: процесс приготовления раствора и способ выдувания мыльного пузыря.

Методы исследования:

- Анализ научной литературы по проблематике исследования;

- Наблюдение за мыльными пузырями из различных растворов;

- Характеристики мыльных пузырей зависят от состава раствора.

Новизна работы заключается в следующем: мною впервые была изучена литература по данной теме, были поставлены опыты и проведен сравнительный анализ результатов.

2. История исследования мыльных пузырей.

Но самая известная теория, объясняющая появление мыла, довольно убедительно доказывает, что это средство возникло случайно, как и большинство изобретений древности. Дело в том, что представители древних племён в торжественных случаях умащивали себя жиром, а в скорбные минуты посыпали головы пеплом. А мыло собственно, и представляет собой смесь жиров и щелочных солей, из этого легко можно сделать вывод, что в один прекрасный день после дождичка их выпачканные жиром и золой волосы становятся вдруг мягкими и шелковистыми. Им, разумеется, это понравилось.

Выдувание мыльных пузырей – очень древняя забава. Точной информации, когда же появились мыльные пузыри – нет. Но доподлинно известно, что при раскопках древних Помпей археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев, выдувающих мыльные пузыри.

3. Применение мыльных пузырей.

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ В НЕФТЕНПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Изучая литературу о мыльных пузырях, я узнала, что мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности. Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать. Для эффективной переработки нефти российские ученые предлагают использовать мицеллы - по сути, мыльные пузыри. Эти и другие исследования ПАВ (поверхностно-активные вещества) поддерживаются российскими и международными грантами. Ученые московского Института химической физики РАН одни из первых выяснили, что если в уже очищенную нефть добавить воды и поверхностно-активные вещества, то в нефти образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой. Оказалось, что в этих пузырьках, которые ученые назвали "мицеллами", могут происходить различные химические реакции. Ученые сконструировали такие "микрореакторы" для окислительной переработки углеводородного сырья. Так называемое жидкофазное окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ В БИОЛОГИИ.

Процесс заморозки биологических мембран происходит так же, как замораживание мыльного пузыря. Криоконсервация биологических субстанций широко используется в медицине. Изучать физические процессы, происходящие при заморозке мыльных пузырей, намного проще, чем на биологических объектах, содержащих избыточное число всевозможных факторов, неподдающихся строгому учету и физическому контролю. Таким образом, пузыри оказались полезны для изучения проблемы бессмертия.

Ученые из Северо-западного университета в Чикаго обнаружили, что палочки и колбочки в сетчатке глаза упакованы по принципу уменьшения площади поверхности.

Именно так ведут себя мыльные пузыри, а значит законы элементарной физики применимы не только к неодушевленным шарикам из задачника, но и к живым организмам, начиная с клеток.

Ричард Картье, профессор биохимии, молекулярной и клеточной биологии Северо-западного университета, и соавтор его "теории мыльных пузырей" Такаши Хаяши не один год посвятили изучению сетчатки глаза. Исследуя клетки сетчатки плодовой мушки, они обнаружили, что, если поместить четыре клетки рядом, то они тут же объединятся в некую структуру с отверстием в центре. Точно так же ведут себя слипшиеся вместе четыре мыльных пузыря. Форма полученной структуры будет различаться в зависимости от числа клеток. Или пузырей. Но поведение и тех, и других будет аналогично.

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ В МЕТЕОРОЛОГИИ

В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря — аэростат (воздушный шар) — используется для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий. В оболочке мыльного пузыря находится горячий воздух, который (как известно) обладает меньшей плотностью, чем холодный и собственно, поэтому пузырь способен подниматься вверх. По такому же принципу взлетает в небо аэростат.

Исследователи из Центра радиоволн и молекулярной оптики (Centre de Physique Moleculaire Optique et Hertzienne,) в Бордо (Франция) обнаружили, что вихри, определенным образом, созданные в мыльных пузырях, ведут себя аналогично более масштабным атмосферным явлениям, таким как циклоны и ураганы. Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.

Мыльные пузыри — идеальная модель для изучения турбулентности в газовых оболочках планет, так как по своим физическим параметрам отношение толщины мыльной пленки к диаметру пузыря эквивалентно отношению толщины атмосферы к диаметру планеты. Постановка эксперимента французских ученых очень простая. Половина мыльного пузыря, находящегося при комнатной температуре 17°C, с радиусом в разных вариациях эксперимента от 8 до 10 см, нагревалась с помощью специального колечка, охватывающего экватор пузыря. Тепло конвективным образом распространялось от экватора к полюсам, создавая градиент (разность) температур ΔT. Облучая изучаемый объект белым светом, исследователи наблюдали интерференционную картину, из которой видно, что при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону - это видно на рисунке.

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ В АРХИТЕКТУРЕ.

Мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный, казалось бы, вид. Этим свойством широко пользуются архитекторы и конструкторы. Площадь пленок, натянутых на каркас, всегда минимальна, т.к. это соответствует минимуму поверхностной энергии. При проектировке зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчет проверяется с помощью мыльных пленок, которые формируются на этих рамках. Архитекторы и конструкторы знают, что натянувшаяся плёнка подскажет им самую экономичную и устойчивую конструкцию покрытия при минимальном расходе материала.

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В горной промышленности с помощью пузырьков, но воздушных, проводят флотацию: процесс обогащения горных руд. Пузырьки в растворе обволакивают частички руды и поднимают её на поверхность, а пустая порода остаётся на дне.

Если на плоскую поверхность воды, в которой растворено моющее вещество (например, шампунь), упадет капля такого же раствора, может произойти неожиданное: капля, преодолев поверхностный слой жидкости, обогащенный молекулами поверхностно-активного вещества, проникнет в жидкость и в ее объеме образует сложную конструкцию: капля, окруженная слоем газа, за которым находится жидкость. Эту замкнутую прослойку газа естественно назвать мыльным антипузырем. Обычный мыльный пузырь — это сферический слой жидкости между двумя газовыми средами, а мыльный антипузырь — это сферический слой газа между двумя жидкими средами.

В науке знания об антипузырях появились в 1932 году, хотя ученых не сразу это явление заинтересовало, и долгое время эксперименты с антипузырями были уделом энтузиастов-любителей.

Исследование мыльных плёнок, и особенно таких загадочных объектов как антипузыри интерес представляет отнюдь не праздный. Недаром ими в последнее время всерьёз заинтересовались учёные за рубежом. Понимание причин устойчивости этих образований позволит управлять стабильностью эмульсий, пен, золей, решив тем самым важную для многих областей науки и производства задачу. Основываясь на лёгком скольжении антипузырей и антипен, предлагают создать новые типы подшипников и смазочных материалов. А тонкие и протяжённые щелевые "туннели" между каплями антипены хотят использовать в качестве газовых фильтров. Но пока эти и другие разработки упираются в нестабильность, недолговечность антипузырей и антипен. Вот тут и пригодятся предложенные выше методы их стабилизации!

Велико может быть значение рассмотренных объектов и в биологии, скажем, при изучении природных плёночных структур, клеточных мембран. Достаточно сказать, что предполагаемая схема зарождения в древнем океане первых примитивных клеточных оболочек из двойного липидного слоя очень напоминает схему образования антипузырей.

И, наконец, даже когда пузырь лопается, это тоже идёт на пользу науке. Изучая лопающиеся пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации - образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод.

Вот ведь, оказывается, какой он удивительный, простой пузырь, и сколько принёс людям пользы!

Мыльный пузырь имеет радиус R = 4 см. Найти разницу между давлением воздуха внутри пузыря и снаружи. Поверхностное натяжение = 0,04 Н/м.

Решение:

Разделим мысленно мыльный пузырь на две одинаковые полусферы. Из-за поверхностного натяжения эти полусферы притягиваются друг к другу с силой , равной произведению поверхностного натяжения и длины окружности I в основании полусфер: , поэтому .

Дополнительное давление р, обусловленное искривлением поверхности мыльного пузыря, равно отношению силы поверхностного натяжения к площади основания полусферы .

Пусть давление атмосферы снаружи пузыря , а давление воздуха внутри пузыря . При равновесии давление воздуха внутри пузыря скомпенсировано давлением воздуха снаружи и дополнительным давлением 2р, обусловленным наружным и внутренним искривлением поверхности пленки: , откуда разность давлений воздуха

Следует учитывать, что на воздух как снаружи, так и внутри пузыря, давит мыльная жидкость, образующая стенки пузыря, но это давление по закону Паскаля, как внутрь так и наружу, одинаково и поэтому его можно не учитывать.

Переведем все единицы в СИ: 4 см = 0,04 м.

Произведем вычисления:

Ответ: = 4 Па.

Эта задача взята со страницы подробного решения задач по физике, там теория и задачи по всем темам физики, можете посмотреть:

Возможно вам будут полезны ещё вот эти задачи:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: