Вряд ли есть на Земле человек, который бы ни разу в жизни не видел мыльных пузырей. Эта детская забава миллионов и миллионов людей для физиков предмет изучения. Недаром великий английский физик лорд Кельвин в одной из своих лекций сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Так что же удивительного находят в мыльном пузыре ученые?

«Частокол» из ПАВа

Вы никогда не задумывались, почему мыльная вода, в отличие от обычной, способна раздуваться пузырями. Оказывается, все дело в том, что у мыльной воды меньше поверхностное натяжение. Обеспечивают же это так называемые ПАВы — поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыле.

«Каждая молекула ПАВ — это удлиненная цепочка, состоящая из многих атомов водорода и углерода», — пишет по этому поводу профессор Я.Е. Гегузин в своей работе, посвященной… — вы догадались правильно… — опять-таки пузырям.

Так вот каждая молекула-цепочка ПАВ обладает очень важной особенностью — концы ее имеют различные свойства: один конец охотно соединяется с водой, а вот противоположный «хвостик» — напротив, ее боится. Поэтому молекулы мыла на поверхности воды всегда выстраиваются так, что с жидкостью соприкасаются лишь те концы, которые испытывают к воде влечение, то есть являются гидрофильными.

В итоге на поверхности воды образуется тонкая мыльная пленка, состоящая их двух «частоколов», образованных молекулами ПАВ, и некоторое количество мыльной воды между ними. Эта трехслойная структура достаточно прочна и эластична, чтобы, не лопаясь, выдерживать напор сжатого воздуха.

Индийские химики разглядели в мыльной пленке миристиновокислого натрия необычные структуры, напоминающие кубки, чаши, кувшины…

Знаменитый английский физик лорд Рэлей, в свое время тщательно исследовавший эту пленку, сделал открытие, добавившее блеска к его научной славе. Он разъяснил, почему при раздувании мыльная пленка лопается далеко не сразу. Оказывается, по мере растяжения в ряды «частоколов» вставляются все новые молекулы ПАВ из резерва. И пузырь в спокойном воздухе лопается лишь после того, как этот резерв будет полностью исчерпан. Именно это позволяет некоторым умельцам выдувать пузыри диаметром более 4 метров!

Если же оболочку мыльного пузыря ткнуть иголкой или просто пальцем, он, как всем известно, тут же лопнет. Почему? Скоростная киносъемка, проведенная уже во второй половине XX века советским исследователем М.О. Корнфельдом, показала, что и как при этом происходит.

Оказывается, при нарушении целостности пленки молекулы ПАВ ведут себя согласно всем канонам военной науки. Поняв, что единый фронт уже не удержать, оставшиеся молекулы стягиваются в «кулак», то есть в каплю, из которой затем можно бы было выдуть следующий пузырь. Но так получается далеко не всегда — сжатый воздух, выходящий из пузыря, довольно часто рвет пленку на отдельные лоскуты, которые затем собираются лишь в мелкие капли.

Так схематически выглядит строение стенки мыльного пузыря.

Схема интерференции света на тонкой пленке, предложенная Т. Юнгом .

Радуга на пленке

Есть и еще замечательное свойство, которым знамениты мыльные пузыри. Наблюдательный поэт С. Маршак писал, что пузырь…

Да, мыльная пленка переливается всеми цветами радуги. Происходит это потому, объяснил известный английский физик Томас Юнг, что в тонких пленках наблюдается явление интерференции. Сам же будущий секретарь Лондонского королевского общества, едва научившись читать — а случилось это, между прочим, когда мальчику едва минуло два(!) года, — выучил стишок из детской книжки, в котором опять-таки говорилось о цветастом мыльном пузыре, и стал приставать к взрослым с вопросом, кто его покрасил, этот самый пузырь. А не получив ответа, стал искать его сам. Но лишь в возрасте 28 лет, в 1801 году, он понял, что такое интерференция, и постарался объяснить суть этого явления всем остальным.

«Предположим, что на поверхность пузыря, образованного пленкой постоянной толщины, падает пучок белого света таким образом, что различные участки поверхности пузыря пучок встречают под разными углами, — обстоятельно писал Юнг. — Сам белый свет, как объяснил нам сэр Исаак Ньютон, состоит из семи лучей различных цветов. В свою очередь каждый луч может частично отразиться от внешней стороны мыльной пленки, а частично — от внутренней. При этом, в зависимости от конкретных условий, обе части луча могут либо усилить друг друга, либо, напротив, пригасить. Это явление и зовется интерференцией».

И далее на схеме Юнг обстоятельно пояснял, при каких именно условиях лучи либо гасят друг друга (это происходит в том случае, если фазы волн противоположны), либо усиливают (когда фазы совпадают). Все это ныне достаточно подробно излагается в учебниках физики, в том самом разделе, где говорится об интерференции — явлении, открытом Юнгом.

Мы же лишь добавим, что на мыльной пленке наблюдается то же явление, что и в небе после дождя, когда там образуется радуга. И это открытие так поразило современников ученого, что французский физик Доменик Араго впоследствии так написал о Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и легкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки школьника, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».

Пузырьки в расплаве.

Кристаллы… из пузырей?!

На этом исследования мыльных пузырей не заканчиваются. В 1942 году, в самый разгар Второй мировой войны, еще один замечательный английский физик, лауреат Нобелевской премии Лоуренс Брэгг, задал себе вопрос: «Можно ли искусственно создать кристалл, состоящий не из атомов или молекул, а из огромного количества крошечных мыльных пузырьков?» Ответ ученый получил в эксперименте. Спустя некоторое время Брэггу и его помощникам удалось создать идеальный пузырьковый кристалл (см. фото).

Пузырьки при определенных условиях способны образовать своеобразный пузырьковый кристалл.

Примерно такой же кристалл вы можете создать сами. Для этого вам понадобится обычная тарелка, заполненная мыльной водой, в которую добавлено несколько капель глицерина, игла от шприца, резиновая волейбольная камера и зажим, которым можно регулировать выход воздуха из отростка-соска надутой камеры. Таким зажимом, на худой конец, может послужить даже обычная струбцина.

Когда вы начнете, потихоньку выпуская воздух из соска камеры через иголку (см. схему), опущенную в воду, выдувать серию маленьких воздушных пузырьков диаметром 2–3 мм, то увидите интересную картину.

Добравшись до поверхности, такой пузырек тут же окутывается мыльной пленкой. А когда рядом появляется сосед, то тут же стремится прижаться к нему, постепенно образуя некую сотовую структуру. Вот это и есть простейший пузырьковый кристалл.

Эксперименты Брэгга и его помощников, в свою очередь, подтолкнули других исследователей на совершенствование подобных опытов. Так, скажем, недавно индийские исследователи, использовав одну из солей жирных кислот (а мыло как раз и является одной из жирных кислот) — миристиновокислого натрия, — при ее медленном охлаждении зафиксировали под электронным микроскопом различные стадии кристаллизации раствора. Получились весьма занятные картины (см. фото).

И это не пустяки. Такие эксперименты помогают исследователям лучше разбираться в процессах кристаллизации, например, расплавленных металлов.

Достижения «пузырьковедов»

Сейчас существует даже целый раздел науки, который полушутя-полусерьезно называют так — пузырьковедение. И хотя многие из «пузырьковедов» стесняются сознаться, что время от времени всерьез занимаются изучением поведения крошечных пузырьков в жидкости, именно благодаря этим «несерьезным» исследованиям ученым удалось решить многие, весьма серьезные проблемы. Например, когда на смену колесным пароходам пришли корабли с гребными винтами, моряки стали жаловаться, что лопасти винтов быстро становятся хрупкими, неведомый вид коррозии буквально пожирает металл.

Мыльная пленка может переливаться всеми цветами радуги.

Схема установки для получения множества маленьких мыльных пузырей.

Исследования показали, что здесь имеет место так называемая кавитация — физическое явление, на которое обратил внимание еще в первой половине XVII века иностранный член Российской Академии наук Даниил Бернулли. Если воду сильно перемешивать, заметил он, то в ней образуются пузырьки воздуха. И когда они схлопываются, то есть лопаются, следует довольно сильный гидравлический удар. Именно эти пузырьки сообща и разрушали лопасти винтов. И ученым с инженерами пришлось немало потрудиться, чтобы снизить влияние кавитации.

А вот пример сравнительно недавний. Когда американцы стали запускать первые ракеты в космос, некоторые из них никак не хотели летать — двигатели их попросту глохли или работали весьма неустойчиво. Причиной тому опять-таки оказались газовые пузырьки, которые образовывались в топливе, вспенивавшемся от вибраций ракеты. И опять инженеры призвали на помощь «пузырьковедов», которые решили эту проблему.

В общем, работы у крошечных пузырьков с каждым годом становится все больше. Так что, пожалуй, прав был знаменитый Марк Твен, сказав однажды: «Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное и самое изысканное явление природы».

Множество пузырьков в жидкости.

И. ЗВЕРЕВ