会跳舞的泡泡实验,会跳舞的泡泡实验原理

酒易淘葡萄酒 2022-07-29 17:17:52

基本投资：10~50万元投资热度：

加盟意向：1634 门店数量：534家

　　吹泡泡是大家最熟悉的童年游戏。蘸点泡泡水，轻轻吸一口气，一串五颜六色的泡泡就随风在阳光下吹走了。泡泡水用完之后，爸妈舍不得买新的一瓶。我该怎么办？小脑瓜灵光一闪，倒上一点洗洁精或者洗衣粉或者洗发水，和水混合就成了一瓶“泡泡水”。但是，这瓶“泡泡水”吹不出买来的泡泡水那么多泡泡。这是为什么呢？　　

　　今天，边肖将回答这个童年神话，顺便给你一个制作泡泡水的小抄。　　

　　神奇的表面张力　　

　　提到气泡，就不得不谈到表面张力的概念。两种不同物质之间的界面张力称为表面张力1。从分子力的水平来看，表面张力是由物质内部的引力引起的。以液体为例，液体中分子之间的引力一般大于气体中分子之间或气体与液体之间的引力，使得液体收缩，表面看起来像一层致密的薄膜。从能量的角度来看，表面的分子具有较高的分子势能。为了达到低能的稳定状态，需要减少表面分子的暴露和液体的表面积。注意，虽然它有一个带“力”的名字，但它的单位实际上是N/m或J/m2。　　

　　纯水的表面张力维为72.75N/m，乙醇的表面张力维为22.55N/m，因此乙醇的表面张力小于纯水。为了降低纯水的表面张力，还可以在其中加入表面活性剂。表面活性剂是能显著降低溶液表面张力的物质。表面活性剂一般是带有亲水基团(“头”)和疏水基团(“尾”)的有机两性分子。溶解在水中的无机盐会增加表面张力。　　

　　十二烷基硫酸钠(长得像毛毛虫)，一种表面活性剂，广泛用于洗衣粉|来源：维基百科　　

　　生活中的很多现象都与表面张力有关，比如水黾的轻功浮在水面上，一便士浮在水面上，《三体》曲率飞船的原理(搞错了)。　　

　　水黾轻功浮于水面。打破它很简单。添加一些表面活性剂|来源：维基百科　　

　　在船尾部滴清洁剂，船尾部的表面张力小，但前面的表面张力大，从而“拉”着船前进。　　

　　说了这么多，表面张力和气泡有什么关系？纯水的表面张力比较大，所以不能形成稳定的气泡，因为气泡的产生会增加气液之间的表面积，使表面自由能增加，这是热力学不稳定的。加入表面活性剂后，表面活性剂的亲水基团插入水相，疏水基团竖立在空气中，从而降低表面张力，让气泡稳定存在一段时间。从下图可以看出，气泡膜是三明治结构，两面是表面活性剂，中间是一层水。这种夹层结构对后面气泡水的形成至关重要。　　

　　气泡的结构　　

　　薄膜干涉　　

　　吹泡泡的时候，孩子们最迷恋的是它们彩虹般的颜色，五颜六色的，好像被施了魔法一样。气泡的颜色其实是一种很常见的光学现象——薄膜干涉。　　

　　所谓胶片干涉，就是一束光照射在胶片上。由于折射率不同，光会分别被薄膜的上界面和下界面反射，由于相互干涉形成新的光。这种现象被称为电影干扰2。新的光是上下界面反射光的叠加，两个界面的反射光可能会发生相长干涉(强度增加)或相消干涉(强度减小)，这取决于它们的相位关系。　　

　　干扰消除(图中未显示半波损失)|来源：维基百科　　

　　干涉是建设性的(图中未显示半波损失)|来源：维基百科　　

　　从上图可以看出，两个界面处反射光的相位关系不仅与入射光波的波长(颜色)有关，还与薄膜的厚度有关。当光程差是半波长的偶数倍时，就是干涉抵消。当光程差是半波长的奇数倍时，干涉是相长的(有半波损失)。因此，我们可以通过观察气泡的颜色来估算其膜厚。　　

　　气泡膜颜色与厚度的关系　　

系 | 来源：physics.stackexchange.com

泡泡膜颜色与厚度的关系 | 来源：soapbubble.dk

相信大家都有经验，如果泡泡颜色变成了黄昏时天空的那种金色，就说明泡泡快要破了。那么泡泡变薄的原因是什么呢，一是在重力作用下泡泡水会向下流动，二是泡泡的比表面积巨大，蒸发剧烈，使得泡泡很快变薄。

●大泡泡配方●

有了上面那些知识，现在就来解答“为什么用洗洁精配成的泡泡水吹不出很多泡泡”这个童年迷思。

不知大家发现没有，自制的泡泡水吹出来的泡泡颜色没有那么鲜艳，甚至有点发灰，一下子就破了。根据上面泡泡颜色和膜厚的关系，就很好理解：自制泡泡水吹出来的泡泡的膜很薄，很容易破。那怎样才能让泡泡膜变厚，并且维持比较长的时间呢？

和大家一样，有很多人也对这件事儿好奇，所以就有个在线的Wiki <3>，专门分享泡泡水的配方和将泡泡吹大、吹多的方法。

确实，泡泡水的配方可不是洗洁精加水那么简单（那时的小脑袋想尽办法也不过是加大洗洁精的浓度，或者是换一种洗涤剂）。一般来说，有以下成分：去离子水、表面活性剂、甘油、聚合物、pH调节剂。

下面小编来给大家一一解释这些成分的作用。

水是作为溶剂的，这大家都知道，但为什么要强调用去离子水？生活在水质比较硬的地方小可爱就知道，用肥皂洗澡的时候，会发现肥皂水上面有一层浮渣。这些浮渣大部分其实不是人体的污垢，而是硬水中的钙镁离子和肥皂中的硬脂酸钠生成了溶解度更小的硬脂酸钙和硬脂酸镁，浮在了水面上。所以，为了让表面活性剂发挥最好的性能，最好用去离子水。

在配方中当然少不了表面活性剂了，常见的有很多，洗洁精、洗手液、洗衣液等等都可以。至于甘油，其实没有什么特别的作用，主要是因为下面要用到的粘结剂不太溶于水，需要甘油来帮助它们溶解。

至于泡泡水中需要添加聚合物，很多人就可能就不知道了。它不仅能让泡泡膜变厚，还能让泡泡延展开来后更不容易破裂。还记得前面说到了泡泡膜的三明治结构吗？聚合物也有减缓泡泡膜水分蒸发的作用，让泡泡维持更长的时间。常见的聚合物添加剂有聚环氧乙烷（PEO）、瓜尔豆胶、聚乙烯醇（PVA，胶水中的就是它）等。

聚环氧乙烷PEO | 来源：Wikipedia

瓜尔豆胶 | 来源：Wikipedia

说到泡泡水中的聚合物，就不得不说一下美国埃默里大学的贾斯汀伯顿（Justin Burton）副教授。他在巴塞罗那开会的时候看见街头艺人表演吹出了巨大的泡泡，不由得想知道巨大的泡泡为什么能维持那么大的表面积而不至于破裂 <4>。于是他回到家研究泡泡的配方，并发现了Soap Bubble Wiki这个网站（就是参考资料<3>的那个网站）。经过实验，他发现聚合物对大泡泡的产生起了至关重要的作用。于是他就指导自己的研究生在实验室吹泡泡玩，研究聚合物究竟为何能让大泡泡不易破裂。然后就在Physical Review Fluids上发了一篇论文（见参考资料<5>），并且他的研究生还凭这个工作硕士毕业了（这也可以？？？）。

言归正传，配方中的pH调节剂主要是泡打粉、柠檬酸等。其实不用这些pH调节剂就可以获得很好的泡泡水了，但是一些人发现加了pH调节剂后可以让泡泡更容易闭合，并且延长泡泡的寿命。

Soap Bubble Wiki给初学者提供了一个入门配方，请大家备好小马扎：1kg去离子水，40~65g洗洁精、1.5g瓜尔豆胶，2g泡打粉，适量甘油或酒精<6>。除了配方，吹大泡泡的工具也很重要，下面这种自制的工具能吸取尽可能多的泡泡水，吹出大泡泡。还专门有个网站收集大泡泡的世界纪录（见参考资料 <7>）。

吹大泡泡工具示意图 | 来源：Soap Bubble Wiki