Пузырь из воды нестабилен и быстро лопается. Другое дело, если в воде растворить немного поверхностно-активного вещества (ПАВ), например мыла. Молекулы ПАВов имеют две стороны: одна отталкивает воду (гидрофобная), другая к ней притягивается (гидрофильная). Когда мы намыливаем руки, молекулы грязи цепляются к гидрофобному концу, а гидрофильная сторона прикрепляется к воде и увлекает за собой молекулы мыла вместе с частичками грязи. Но как получаются пузыри?

В толще воды молекулы притягиваются друг к другу и распределяются равномерно. На поверхности всё по-другому. Там молекулы тесно взаимодействуют с соседями внутри жидкости, но очень слабо — с молекулами воздуха. Иными словами, они притягиваются соседями снизу и сбоку, а сверху — нет. Поэтому поверхность ведёт себя как растянутая эластичная плёнка.

Растворённые в жидкости ПАВы стремятся к поверхности (ведь одна сторона такой молекулы «боится» воды). Заменяя молекулы воды на поверхности, они снижают поверхностное натяжение, что позволяет площади поверхности увеличиваться. Когда мы надуваем пузырь, тонкая плёнка жидкости оказывается между двумя слоями молекул ПАВа (они стремятся наружу, а внутри и снаружи пузыря воздух). Поскольку из всех фигур одинакового объёма именно сфера имеет наименьшую площадь (а значит, наиболее энергетически выгодна), пузырь принимает её форму.

Мыльные пузыри могут принимать форму объекта с минимальной площадью поверхности. Эту особенность используют для изучения растяжимых структур, применяемых при строительстве сверхлёгких крыш, мостов и каркаса кораблей. Что это даёт? Минимальные затраты строительных материалов при достаточной устойчивости. Так, немецкий архитектор Фрай Отто, вдохновлённый мыльными пузырями, использовал мембранные поверхности при строительстве олимпийского стадиона в Мюнхене в 1972 году. 

Мыльные пузыри имеют радужную окраску. Причину этого явления объяснил ещё Исаак Ньютон в начале XVIII века: дело в интерференции — наложении световых волн. Когда свет падает на поверхность пузыря, часть волн отражается от внешней стороны мыльной плёнки, а другая проходит через неё, преломляется и отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с отражёнными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда совпадают. Если совпадают, то волны усиливают друг друга, если нет — ослабляют. Толщина плёнки неодинаковая, поэтому отразившиеся от неё лучи имеют разную длину волны. В результате мы видим радужные разводы на пузыре.

Интерференция световых волн, отражённых от верхней и нижней поверхности плёнки: белый свет распадается на лучи разного цвета

Создание мыльных пузырей в космосе — занятие не только увлекательное, но и полезное. Астронавт NASA Дон Петтит выдувал их на борту Международной космической станции.

Он использовал шипучие таблетки и смоченную в воде проволоку. Таблетка растворялась в воде на поверхности проволоки, выделяя углекислый газ. Газ раздувал плёнку воды, образуя пузырь, который из-за отсутствия силы тяжести увеличивался в объёме, но не лопался. Уменьшить его можно было откачав содержимое с помощью шприца.

Дон Петтит прокомментировал эксперимент так: «Изучать поведение газов в жидкости нужно, чтобы лучше понимать условия низкой гравитации. Если вы проводите исследования или создаёте инструменты, которые должны работать в подобных условиях, важно понимать, что происходит с газом в жидкости и наоборот».

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №3(31). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.