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        小小的肥皂泡,藏著大大的秘密
        發布時間:2021-12-30
        出品:科普中國
        制作:五月 中科院長春光學精密機械與物理研究所
        監制:中國科學院計算機網絡信息中心

          吹泡泡是我們小時候經常玩的一個小游戲。用清水混合上一定量的洗衣粉,攪拌均勻后用塑料圈蘸一下,輕輕一吹,泡泡就會隨著春風四處飛散,在陽光的照耀下五彩繽紛。

          

          圖片來源:veer圖庫

          聽上去很簡單,但你是否好奇過這些問題:為什么清水沒法吹出泡泡?為什么肥皂水看起來是清澈的但泡泡卻在陽光下五顏六色呢?其實小小的泡泡下藏著很多的科學知識,今天就讓我們一起走近泡泡,探索它身上的秘密。

          泡泡的誕生:表面張力是怎么回事?

          我們平時用的泡泡水的秘方其實很簡單,用熱水沖溶肥皂或者洗衣粉即可。那為什么清水不能吹出泡泡,而我們調制的肥皂水卻可以?這就要從泡泡形成的原理說起。

          首先我們要明白一個物理概念:表面張力。

          不知道大家有沒有注意過這些現象:雨滴落在荷葉上的時候會變成圓圓的水珠滾動,有一些小動物可以在水面上來去自如。它們所依托的就是水的表面張力。

          

          荷葉上的水珠

         ?。▓D片來源:veer圖庫)

          

          水面蟲子

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          液體的表面具有自動收縮的傾向,而這種自動收縮的驅動力源于分子在液體內部和表面所受的不同引力場。對于液體表面的分子而言,受到來自內部液體分子的引力要大于外部空氣分子的拉力。因此,在可以忽略重力的情況下,液體有面積縮小的趨勢,總是趨向于形成球形,而在宏觀上,這種力被稱為液體的表面張力。

          

          表面張力模型

         ?。▓D片來源:作者自制)

          說到這里可能有人產生了新的疑問:表面張力使得液面面積有縮小的趨勢,那么肥皂泡為什么還會存在呢?好問題,的確如此。不過既然表面張力不讓水里面存在空氣,那我們想辦法降低表面張力不就可以形成大泡泡了嗎?

          在解釋降低表面張力的方法前,我們先來重新認識一下肥皂和洗衣粉吧,它們還有個名字叫“表面活性劑”。表面活性劑是一類易附集于界面、并對界面性質及相關工藝過程產生明顯影響的物質。

          從歷史發展看,表面活性劑源于洗滌劑,最基礎的肥皂配方已有數千年的歷史,古羅馬作家普林尼是最早記錄下這一配方的人之一。據他觀察,制作肥皂的方法正是將油脂和堿混合,而灰燼溶于水后的產物就是一種堿。

          

          肥皂分子:脂肪酸鈉 (圖片來源:作者自制)

          如今所用的堿都是人工合成的,但生成的肥皂分子與過去的大同小異,都由親水的頭部基團和親油脂的尾部基團組成。由于親油基與水分子之間的排斥,為了尋求能量最低的存在形式,表面活性劑分子首先會以親水基朝下(與水分子接觸)、親油基朝上(與空氣分子接觸)的形式在水溶液表面排列。只有當液面沒有空間接受新的表面活性劑分子時,新增的表面活性劑分子才會向溶液內部移動。

          親水基受到水分子向下的吸引力,但由于親水基的極性弱于水分子,這種吸引力便弱于水分子之間的吸引力;親油基受到空氣分子向上的吸引力,但由于相對較大的體積使親油基可以與更多空氣分子接觸,同時更弱的極性也使親油基能更好的與空氣分子互相融合吸引,這種吸引力要強于空氣分子與水分子的吸引力。

          整體而言,向下的引力減弱,向上的引力上升,表面活性劑分子的受力不平衡狀況要弱于水分子,因此有表面活性劑分子排列的水溶液表面,顯然比單純的水分子表面受力不平衡的情況更弱,從宏觀上看,就是表面張力降低。而這,也就是肥皂水能吹出泡泡的原因。

          

          肥皂泡表面受力模型 (圖片來源:作者自制)

        泡泡的顏色:五彩繽紛從何而來?

          當我們在陽光下吹泡泡的時候,我們會發現泡泡的顏色像水一樣動態流轉且斑斕多彩。其實,肥皂泡是無色的,之所以在陽光下呈現斑斕的色彩,是陽光在透明薄膜的上下表面反射和相互干涉形成的。

          “反射”與“干涉”在生活中并不少見。我們照鏡子能看到自己,依靠的就是光的反射。反射是指光在傳播到不同物質時,在分界面上改變傳播方向又返回原來物質中的一種現象。在遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面時,光都會發生反射。而肥皂膜是透明的薄膜,有上下兩個表面,當太陽光照射在肥皂膜的表面時,會分別被薄膜的上下兩個表面反射。

          物理學家研究表明,光像池塘里面的水波一樣,具有很強的波動性。當你向池塘里面丟一顆石子的時候,產生的漣漪相遇,相互干涉的情況下發生了美麗的花紋。如果我們仔細觀察的話,就會發現水波某些位置的振動一直加強,而另一些位置的振動一直在減弱。在物理學中,我們將兩列或兩列以上的波在空間中相遇時發生疊加或抵消從而形成新的波形的現象稱為干涉。

          

          相長干涉

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          相消干涉 (圖片來源:作者自制)

          同水波一樣,當頻率相同的光束相遇時,也會產生相互干涉的情況。值得一提的是,一定厚度的膜,只能使一定波長的光產生穩定的相長干涉或相消干涉,前者指的是兩波的波峰(或波谷)同時抵達同一地點,干涉波會產生最大的振幅,后者則是兩波的波峰和波谷相遇,使干涉波的振幅減小,而光波的振幅反映了光的強弱,給人眼以物體明暗的感覺。

          

          干涉原理模型 (圖片來源:作者自制)

          由于肥皂膜各處的厚度并不均勻,根據相長干涉和相消干涉理論,陽光在厚度不同的膜面上,就會出現或加強、或減弱、或相互抵消的情況,在色彩上,則或紅、或藍、或綠,從而讓肥皂泡顯得色彩斑斕。

        泡泡的啟發:這么多的研究都來自它?

          現如今,世界上的肥皂泡愛好者眾多,他們成立了“國際泡泡藝術家協會”這樣的全球性組織,致力于探究肥皂水秘方以吹出更大的泡泡,甚至還在不斷刷新泡泡尺寸的世界吉尼斯記錄,回應童年對于大泡泡的憧憬和向往。

          小小的肥皂泡藏著大自然的秘密,物理學家通過它可以研究表面張力,數學家通過它可以研究最小曲面,生物學家通過它可以研究生物體內薄膜的生化機理,力學家通過它可以研究薄膜充氣結構……肥皂泡在科研領域大有作為,給了科學家們很多的啟示。

          比如,在20世紀初,德國學者普朗特在研究彈性柱體的扭轉時,發現在柱體中應力函數所滿足的方程和在自重下薄膜滿足的方程是一樣的;而不久前,法國波爾多大學流體力學專家哈米德·凱利將肥皂泡作為研究大氣現象的理想模型,提出了自己關于氣旋演變通用定律的猜想;甚至基于肥皂泡做的有關光的分支流的論文《Observation of branched flow of light》登上了Nature的封面,這一切都向我們證明肥皂泡仍有很多秘密值得探索。

          正像英國著名的物理學家開爾文說過:“吹一個肥皂泡并且觀察它,你會用畢生之力研究它,并且由它引出一堂又一堂的物理課程?!?/b>大自然的奇妙與樂趣,值得我們用一生去探索。

        參考文獻:

          [1]凱瑟琳·尼克西.肥皂泡里的那些事兒[J].風流一代,2021(29):48-49.

          [2]林邊,盧克.從虛空到實用小小肥皂泡:值得你研究一生[J].世界博覽,2021(19):72-73.

        中國科學院科普云平臺技術支持,中國科學院計算機網絡信息中心運行
        文章內容僅為作者觀點,不代表中國科普博覽網、中國科普博覽網運行單位、中國科普博覽網主辦單位的任何觀點或立場。
        被粗大噗嗤噗嗤进出灌满

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