кандидат физико-математических наук А. Зайцева
Антипузыри
По материалам журнала «Science News», интернет-сайтов http://www.antibubbles.org; http://hot-streamer.com/antibubbles; http://www.jtan.com/antibubble/; http://www.eskimo.com/~billb/amateur/antibub/antibub1.html

Вы наверняка хоть раз в жизни пускали мыльные пузыри и купались в мыльной пене. А доводилось ли вам иметь дело с мыльными антипузырями и антипеной? Существование антипузырей известно науке c 1932 года. Однако до сих пор серьёзные учёные фактически игнорировали этот феномен. Опыты с антипузырями были уделом отдельных энтузиастов-любителей. Лишь в самое последнее время физикой процессов, связанных с образованием антипузырей, заинтересовались сразу несколько научных групп. А вопросов здесь хоть отбавляй.

Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики.
Лорд Кельвин

Мыльный пузырь наоборот

Антипузырь в жидкости - 'негатив' мыльного пузыря в воздухе.
Антипузырь в жидкости — „негатив“ мыльного пузыря в воздухе.
Что представляет собой обычный мыльный пузырь? Это сфера, образованная тонкой плёнкой жидкости и заполненная воздухом (газом), и снаружи также окружённая воздухом. Мыльный антипузырь — это как бы „негатив“ обычного пузыря: сферическая плёнка газа, заполненная жидкостью изнутри и окружённая жидкостью снаружи.


Падающая капля сначала образует водяную глобулу, отделённую от поверхности воды тонким слоем воздуха. Когда глобула тонет, увлекая за собой воздух, возникает антипузырь.
Откуда может взяться такой „пузырь наоборот“? Представьте себе следующую ситуацию. На плоскую поверхность воды, в которой растворено моющее вещество (например, шампунь), падает капля такого же раствора. (Заметим, что свободно падающая капля — это уже своего рода „антипузырь“ по сравнению с пузырьком воздуха, всплывающим в воде.) Далее может произойти следующее: упав на поверхность воды, капля может не исчезнуть, а некоторое время плавать по поверхности жидкости, не смешиваясь с ней, — это так называемые водяные глобулы, или плавающие капли. Их можно иногда увидеть на воде во время дождя. Водяные глобулы — противоположность обычных пузырей на поверхности воды. И, наконец, если падающая капля преодолеет поверхностный слой жидкости и проникнет в её объём, может образоваться сложная конструкция — капля, окружённая тонкой газовой оболочкой, то есть антипузырь.


Так возникают антипузыри. Поверхности воды и капли покрыты молекулами поверхностно-активного вещества, обращёнными гидрофобными концами наружу. Падающая капля увлекает за собой тонкий слой воздуха; вокруг него смыкается изогнутая поверхность воды, образуя сферическую воздушную плёнку — атипузырь.
Несмотря на свою противоположность, пузыри и антипузыри имеют много общего. В формировании и тех и других участвуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся, например, в жидкости для мытья посуды. Молекулы ПАВ имеют форму стержня, один конец которого гидрофилен („любит воду“), а другой — гидрофобен („не любит воду“). В описанном опыте поверхности воды и падающей на неё капли покрыты „частоколом“ таких молекул, причём концы, „не любящие воду“, естественно, обращены наружу. Подлетая к поверхности, капля может увлечь слой воздуха, который, препятствуя её слиянию с поверхностью воды, изгибает её за счёт сил отталкивания. Обращённые наружу гидрофобные концы молекул ПАВ также отталкивают воду от капли. В итоге изогнутая поверхность воды смыкается над каплей, и образуется замкнутая сферическая конструкция, стабильность которой обеспечивается двойным слоем молекул ПАВ и силами поверхностного натяжения.

Рождение антипузыря

На первый взгляд кажется, что антипузырь — это что-то очень экзотическое, редко встречающееся в природе. Однако любой человек, хоть раз мывший посуду современными моющими средствами, наверняка производил десятки и сотни мелких антипузырьков, сам того не подозревая.

Вот самый простой способ получить антипузыри в домашних условиях. Возьмите прозрачную ёмкость с чистой водой и добавьте в неё несколько капель жидкости для мытья посуды или шампуня. Затем наберите немного этой жидкости в резиновую грушу. Поднесите грушу к поверхности воды на расстояние несколько миллиметров и впрысните её содержимое в ёмкость с водой. При определённой скорости вливания в воде будут появляться антипузыри (чтобы опыт выглядел эффектнее, можно слегка подкрасить жидкость в груше). Способ этот несложный, но требует определённой сноровки. Кроме того, приходится учитывать массу тонкостей (например, жёсткость и загрязнённость воды, способ вливания, перепад температур, статическое электричество и т. п.), критически влияющих на качество и количество антипузырей, а также на их поведение.
Установка Терри Фритца для получения антипузырей большого диаметра.
Установка Терри Фритца для получения антипузырей большого диаметра.
Одним словом, создание антипузырей — это целое искусство. Новичку едва ли удастся получить антипузырь размером более 0,5–1 см. А вот энтузиаст из штата Колорадо Терри Фритц (Terry W. Fritz) сумел усовершенствовать этот метод настолько, что получение антипузырей диаметром 5 см и даже больше стало для него обычным делом. Он использует большие стеклянные ёмкости, оборудованные насосами, вентилями и прочими приспособлениями. Проводя свои опыты, Фритц обнаружил, что немалую роль в формировании и схлопывании антипузырей играет статическое электричество, поскольку воздушная оболочка антипузыря — это, по сути, миниатюрный сферический конденсатор. Оказывается, разности потенциалов в 0,3 В бывает достаточно, чтобы антипузырь схлопнулся, не успев возникнуть. Терри предложил несколько способов борьбы со статическим электричеством, самый простой из которых — „заземлять“ воду в ёмкости, опуская в неё металлическую проволоку, привязанную к краю груши так, чтобы вытекающая из неё вода касалась проволоки.

Есть множество других способов изготовления антипузырей. Оригинальный метод предложила группа австрийских и французских учёных. Они обнаружили, что если собрать на поверхности жидкости „плот“ из трёх обычных мыльных пузырей, а затем капать моющее средство в углубление, где пузыри смыкаются, то под поверхностью воды будут появляться антипузыри примерно таких же размеров. Исследователи утверждают, что этот способ очень надёжен.

Антипузыри в пиве.
Антипузыри в пиве.
Антипузыри можно получить не только в воде, но и в других жидкостях. Недавно бельгийские учёные продемонстрировали образование антипузырей в пиве. Это событие немало взволновало пивную общественность: ведь что, казалось бы, общего между пивом и жидкостью для мытья посуды? (Некоторые даже задумались о чистоте технологического процесса производства пива.) Однако ничего удивительного в этом нет: в пиве тоже содержатся поверхностно-активные вещества.

Жизнь и смерть антипузыря

Что может быть менее прочным, чем мыльный пузырь? Только мыльный антипузырь. Защищённый от испарения и механических воздействий мыльный пузырь может жить месяцами, тогда как мыльный антипузырь едва ли протянет более суток, а в обычных условиях он живёт от долей секунды до нескольких минут.

В течение своей недолгой жизни антипузыри медленно всплывают к поверхности жидкости. Это происходит гораздо медленнее (примерно в тысячу раз), чем у пузырьков воздуха того же диаметра, поскольку, как известно, сила Архимеда пропорциональна объёму газа, заключённого в воздушной оболочке. Добавив внутрь антипузыря немного соли (слегка „посолив“ жидкость в груше), можно добиться того, что антипузырь будет „парить“ в воде в состоянии безразличного равновесия. А если увеличить концентрацию соли, он начнёт тонуть.

В конечном итоге антипузырь ждёт та же участь, что и обычный мыльный пузырь, — он лопается. Причиной гибели (помимо естественной смерти) может послужить удар о поверхность воды или о дно и стенки ёмкости, а если ёмкость очень глубокая, антипузырь станет погружаться до тех пор, пока его не раздавит возросшее гидростатическое давление.

Попробуем представить себе, как может лопнуть мыльный антипузырь. Обычный пузырь самопроизвольно лопается в самой верхней точке, где слой жидкости в результате действия гравитации наиболее тонок. В антипузыре всё происходит наоборот: под действием гидростатического давления газ, содержащийся в оболочке, постепенно поднимается кверху, так что плёнка оказывается наиболее тонкой и уязвимой в своей самой нижней точке. Такое распределение толщины вдоль плёнки приводит к тому, что в обычном пузыре интерференционные (радужные) кольца наблюдаются в верхней части пузыря, где плёнка наиболее тонка (порядка длины волны света), а в антипузыре — в нижней части. Когда обычный пузырь лопается, от него остаётся капля жидкости, которая падает в воздухе. Антипузырь оставляет после себя маленький пузырёк воздуха, который поднимается в жидкости. Недавно бельгийские физики из Льежского университета провели серию экспериментов по изучению формирования и схлопывания антипузырей при помощи высокоскоростной киносъёмки. Исследования доказали, что они действительно лопаются в самой нижней точке, если только не проткнуть их в другом месте. Оказалось, что сразу после разрыва и схлопывания воздушной оболочки жидкость внутри антипузыря оказывается в динамически неустойчивом состоянии, в результате чего закручивается в вихри и лишь потом постепенно перемешивается с окружающей жидкостью.

В чём причина нестабильности антипузырей? Воздушная оболочка антипузыря сдавлена с двух сторон жидкостью, молекулы которой притягиваются друг к другу силами молекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса). Сравнительно небольшое количество молекул газа, содержащееся в оболочке, не может долго противостоять этому натиску, особенно в нижней части пузыря, где молекул газа меньше. Скорость перемещения молекул газа в верхнюю часть оболочки и определяет в большой степени время жизни антипузыря.

Антипузыри на службе прогресса

В последние годы антипузыри перестают быть только забавой для детей и физиков-любителей. Ими заинтересовались и серьёзные исследователи. Пока одни исследователи пытаются устранить многочисленные белые пятна в физике антипузырей, другие уже придумывают для них всевозможные способы практического использования. Наибольший интерес вызывает создание крупных скоплений антипузырей — так называемой антипены.

Учёные полагают, что антипена может найти самое неожиданное применение, например в качестве смазочного материала — что-то вроде шарикоподшипников из мыла, воды и воздуха. Воздушные оболочки антипузырей в антипене образуют целую сеть тончайших коридоров, которую можно использовать, скажем, для фильтрации воздуха и различных газов.

Идей много, но проверить их на практике пока не удаётся, так как никто ещё не смог получить достаточное для исследований количество антипены. Создать антипену больше чем из пяти-шести антипузырей очень трудно: пока „выдуваются“ последующие, предыдущие успевают лопнуть. Исследователь из Бразилии Альберто Тифайли (Alberto Tufaile) утверждает, что смог изготовить скопление из 50–60 антипузырей, которое, впрочем, тоже быстро полопалось. Недолговечность антипузырей — главное препятствие на пути создания и использования антипены.

Но антипена — это ещё не всё. Отдельные антипузыри также могут найти промышленное применение в различных химических процессах — например, вместо обычных пузырьков. Газ, заключённый в антипузыре, взаимодействует с жидкостью через поверхность вдвое большую по сравнению с обычным пузырём. Кроме того, взаимодействие может быть гораздо более длительным благодаря медленному всплыванию антипузырей. Эти свойства незаменимы в процессах очистки дымовых загрязнений, при изготовлении химикатов и лекарств.

Крупные антипузыри могут оказаться удобным объектом научных исследований различных нелинейных процессов. Неустойчивости, наблюдаемые при схлопывании антипузырей в результате прокола, характерны и для многих других физических систем, например сверхновых звёзд.

Замена воздуха в оболочке антипузыря жидкостью открывает новые возможности. Французским и бельгийским учёным удалось изготовить плавающую в воде водяную глобулу в масляной оболочке. Конструкция оказалась столь стабильной, что учёные уже получили что-то вроде маслянистой антипены, свойства которой им ещё предстоит изучить. Альберто Тифайли смог приготовить масляные глобулы, покрытые слоем спирта и окружённые маслом. Подобные полностью жидкие структуры могут быть использованы при изготовлении лекарственных средств. Если, например, взять в качестве оболочки вещества, способные полимеризоваться и твердеть под действием ультрафиолета, а внутрь поместить лекарственный раствор, то после облучения получится готовая капсула с лекарством.

Время покажет, будут эти идеи действительно плодотворными или лопнут, как раздутый мыльный пузырь, вернее — антипузырь.

Литература
    1. Гегузин Я.Е. Пузыри. — М.: Наука, 1985.
    2. Гегузин Я.Е. Капля. — М.: Наука, 1973.
    3. Павлов–Верёвкин Б.С. Мыльные антипузыри . — „Химия и жизнь“, 1966, № 11. 

Подробности для любознательных
Кое-какие расчёты

Толщина газового слоя антипузыря связана с его радиусом R a и радиусом пузырька воздуха, остающегося после его схлопывания R п, формулой h = R п 3 / 3R a 2, которую легко получить, если объём слоя приравнять к объёму всплывающего пузырька.

При R п ≈ 10 –4 м и R a ≈ 10 –3 м оказывается, что h ≈ 3·10 –7 м, что близко к толщине плёнки обычных мыльных пузырей, при которой должны обнаруживаться цвета интерференции.

Всплывающий мыльный антипузырь подвержен значительно меньшей выталкивающей силе F в, чем обычный газовый пузырь того же размера. Легко понять, что, в согласии с законом Архимеда, силы, определяющие всплывания газового пузыря F п и антипузыря F a равных радиусов, относятся как объёмы заключённого в них газа: F п / F a = (R п / R a ) 3.

При R п ≈ 5·10 –5 м и R a ≈ 5·10 –3 м оказывается, что Fп/Fa ≈ 103. Такое различие сил F п и F a и служит причиной весьма медленного всплывания антипузыря. Это, например, означает, что, подойдя к поверхности воды, мыльный антипузырь, даже если он и велик, может не „пробить“ поверхностный слой и выйти из объёма.

По книге Я. Гегузина „Пузыри“.

Наука и жизнь

Статьи близкой тематики:
Вода знакомая и загадочная.  Леонид Кульский, Воля Даль, Людмила Ленчина.
Самое необычное вещество в мире.  Академик И. В. Петрянов-Соколов.
Про каплю на воздушной подушке.  С. Семиков.
Физика стирки.
Чарующие тайны жидкости.  А. Мадера.
Загадка плавания рыб.  В. Меркулов.
Всё дело в смачивании.  А. Зайцева.
Луч света в мыльном царстве.  Л. Намер.



2007 Copyright © AstroSearch.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования