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怎么吹出更大的泡泡?你需要懂得表面张力等知识

来源:帅小伙爱科学、梦马科技探索 浏览 92 次 发布时间:2024-06-28

当我们吹起一个泡泡时,是什么力量让这些小水珠紧密地结合在一起,形成一个个圆润的球体呢?


答案就是水的表面张力。简单来说,表面张力就像是一张薄薄的膜,把水分子紧紧地拉在一起。当水的表面张力大于水分子与空气之间的吸引力时,水分子就像被黏在一起一样,形成了我们看到的泡泡。


怎么吹出更大的泡泡


然而,要让泡泡更加稳定、易于形成,我们通常会借助肥皂或洗涤剂。这些日常清洁用品中,含有一种叫做“表面活性剂”的物质。这种物质具有亲水基团和疏水基团,能够降低水的表面张力。当表面活性剂加入水中时,它们会聚集在水的表面,形成一个单分子层。这个单分子层能够降低水的表面张力,使得吹泡泡变得更加容易。


具体来说,肥皂或洗涤剂中的表面活性剂可以降低水的表面张力到只有通常状况下的1/3左右。这意味着水分子之间的“黏合力”减弱了,泡泡更容易形成和维持。


阳光下的彩色泡泡


泡泡的薄膜可以看作是一个多层干涉膜。当光线穿过泡泡时,会发生折射和反射,产生干涉现象。由于泡泡的薄膜具有不同的厚度和折射率,因此会产生五彩斑斓的色彩。这一发现不仅让我们对泡泡有了更深的认识,也为我们提供了研究光学现象的新途径。


据说:泡泡的薄膜最多可以包含大约150个不同的层次,层次会对光线产生不同的影响。最厚的薄膜层反射红光,最薄的反射紫光,居中的反射七彩光?


世界上最大的肥皂泡的配方揭秘


一位来自美国埃默里大学的物理学教授Justin Burton就因为这一问题研究了一番,还有了不少新发现...


那么,世界上最大的肥皂泡到底有多大呢?目前的吉尼斯世界纪录是GARY PEARLMAN在2015年创造的,他用巨大的蘸有泡泡溶液的线框成功制造出了一个体积约有96.27立方米的巨大泡泡:

世界上最大的泡泡|elakenews.com


在研究者进行科学验证之前,热衷于肥皂泡的爱好者们其实就已经有了很多配置泡泡水的经验之谈。和很多小实验网站的推荐不同,他们指出在洗涤剂溶液里添加甘油用处并不明显,真正能大幅提升肥皂泡寿命的关键是另外一类东西:易溶于水的大分子聚合物,例如瓜尔豆胶(常见的建议添加量是1.0-2.0 g/L),或者聚乙二醇(泡泡发烧友们经常会选择添加一种名叫“J-Lube”的产品,其中25%是聚乙二醇,通常在泡泡溶液中添加0.1-0.4 g/L)。还有一个来自这些人的经验是他们会把含有聚乙二醇的粉末放置一段时间来进行“老化”,说这样会让效果变得更好。


这些经验背后“为什么”的问题就需要科学家来研究和解释了。

论文中测量液膜厚度的装置


其实,流体动力学一直都是Justin所在的实验室的研究重点方向之一:


“流体动力学的过程在视觉上是极其美丽的,它们遍及我们星球上的所有位置!


从液滴和气泡的形成及破裂,到飞机的空气动力学,再到世界海洋的深海倾覆,无一不体现了它的神奇之处...”


因此他很快便开始着手对此进行研究,还发现了一个名为Soap Bubble Wiki的巨大泡泡分享百科网页,


除了平常的水和洗碗液之外,Soap Bubble Wiki中提供的配方里通常还包含着一种聚合物——


也就是一种由重复分子的长链组成的物质,其中最常见的聚合物当属天然瓜尔胶(某种食物添加剂粉末)或者工业聚乙二醇(某种药物润滑剂),


在这一建议下,Justin邀请了同校的两名应届毕业生一起在实验室里进行了实验:


“我们基本上就是在制造泡泡和弹出泡泡,然后记录该过程中的速度与动态数据,


因为在流体最剧烈的时刻,往往能告诉你很多关于基本物理原理的信息!”


既然是要检验,那方方面面的数据和影响都要顾及到,因此肥皂膜吸收红外光这一点也能应用起来——


他们通过照亮肥皂泡来测量膜的厚度,还测量了肥皂泡配方中使用不同聚合物的分子量,


然后再让重力将各种肥皂膜的液滴从喷嘴中拉出,以便测量所产生的液体线在断裂之前可以在喷嘴和液滴之间伸展多长时间...


最终的研究结果表明——聚合物正是制造巨大泡泡中最关键的成分!


其中的原理就是聚合物的长纤维束能够使气泡顺畅地流动并进一步拉伸,却又很难破裂。


对此,Justin还解释道:“聚合物股线纠缠在一起,就像变成了一个毛线球,形成了更长却又难以断裂的股线。


Justin的论文里面主要有两个有意思的发现。首先,加入聚合物之后的肥皂泡膜并不会明显变得更厚,但是它确实显著变得更不容易破裂了。大分子聚合物主要改变了液膜的“拉伸流变学”,让流体在拉伸时变得更不容易断开(这体现了高分子溶液的粘弹性,想象一下粘液拉丝的样子,差不多就是那样)。


Justin研发结果呢,还解密了巨大泡泡的最佳制造配方以及方法:


1公升水,50毫升的Dawn Professional洗涤剂,2-3克瓜尔粉,50毫升外用酒精以及2克发酵粉,


然后就是先将瓜尔粉与酒精混合,搅拌直至没有团块形成酒精瓜尔胶浆,


再将其与水进行混合,轻轻搅拌10分钟,静置使两者融合,直至变稠到类似于未凝固的凝胶状,


最后再加入发酵粉搅拌,加入洗涤剂轻轻搅拌以免混合物起泡,


就可以将带有纤维绳的巨型泡泡棒完全浸入混合物中,慢慢拉出后缓缓挥动或吹动就能得到一个巨大的肥皂泡啦!


对于咱们普通人来说,泡泡就是泡泡,


对于物理学家来说,泡泡就是流体、聚合物以及如何才能使肥皂膜变得更加牢固!


果然是生活中处处都充满了科学啊...