小小的肥皂泡,藏着大大的秘密
发布时间:2021-12-30
出品:科普中国
制作:五月 中科院长春光学精密机械与物理研究所
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  吹泡泡是我们小时候经常玩的一个小游戏。用清水混合上一定量的洗衣粉,搅拌均匀后用塑料圈蘸一下,轻轻一吹,泡泡就会随着春风四处飞散,在阳光的照耀下五彩缤纷。

  

  图片来源:veer图库

  听上去很简单,但你是否好奇过这些问题:为什么清水没法吹出泡泡?为什么肥皂水看起来是清澈的但泡泡却在阳光下五颜六色呢?其实小小的泡泡下藏着很多的科学知识,今天就让我们一起走近泡泡,探索它身上的秘密。

  泡泡的诞生:表面张力是怎么回事?

  我们平时用的泡泡水的秘方其实很简单,用热水冲溶肥皂或者洗衣粉即可。那为什么清水不能吹出泡泡,而我们调制的肥皂水却可以?这就要从泡泡形成的原理说起。

  首先我们要明白一个物理概念:表面张力。

  不知道大家有没有注意过这些现象:雨滴落在荷叶上的时候会变成圆圆的水珠滚动,有一些小动物可以在水面上来去自如。它们所依托的就是水的表面张力。

  

  荷叶上的水珠

  (图片来源:veer图库)

  

  水面虫子

  (图片来源:veer图库)

  液体的表面具有自动收缩的倾向,而这种自动收缩的驱动力源于分子在液体内部和表面所受的不同引力场。对于液体表面的分子而言,受到来自内部液体分子的引力要大于外部空气分子的拉力。因此,在可以忽略重力的情况下,液体有面积缩小的趋势,总是趋向于形成球形,而在宏观上,这种力被称为液体的表面张力。

  

  表面张力模型

  (图片来源:作者自制)

  说到这里可能有人产生了新的疑问:表面张力使得液面面积有缩小的趋势,那么肥皂泡为什么还会存在呢?好问题,的确如此。不过既然表面张力不让水里面存在空气,那我们想办法降低表面张力不就可以形成大泡泡了吗?

  在解释降低表面张力的方法前,我们先来重新认识一下肥皂和洗衣粉吧,它们还有个名字叫“表面活性剂”。表面活性剂是一类易附集于界面、并对界面性质及相关工艺过程产生明显影响的物质。

  从历史发展看,表面活性剂源于洗涤剂,最基础的肥皂配方已有数千年的历史,古罗马作家普林尼是最早记录下这一配方的人之一。据他观察,制作肥皂的方法正是将油脂和碱混合,而灰烬溶于水后的产物就是一种碱。

  

  肥皂分子:脂肪酸钠 (图片来源:作者自制)

  如今所用的碱都是人工合成的,但生成的肥皂分子与过去的大同小异,都由亲水的头部基团和亲油脂的尾部基团组成。由于亲油基与水分子之间的排斥,为了寻求能量最低的存在形式,表面活性剂分子首先会以亲水基朝下(与水分子接触)、亲油基朝上(与空气分子接触)的形式在水溶液表面排列。只有当液面没有空间接受新的表面活性剂分子时,新增的表面活性剂分子才会向溶液内部移动。

  亲水基受到水分子向下的吸引力,但由于亲水基的极性弱于水分子,这种吸引力便弱于水分子之间的吸引力;亲油基受到空气分子向上的吸引力,但由于相对较大的体积使亲油基可以与更多空气分子接触,同时更弱的极性也使亲油基能更好的与空气分子互相融合吸引,这种吸引力要强于空气分子与水分子的吸引力。

  整体而言,向下的引力减弱,向上的引力上升,表面活性剂分子的受力不平衡状况要弱于水分子,因此有表面活性剂分子排列的水溶液表面,显然比单纯的水分子表面受力不平衡的情况更弱,从宏观上看,就是表面张力降低。而这,也就是肥皂水能吹出泡泡的原因。

  

  肥皂泡表面受力模型 (图片来源:作者自制)

泡泡的颜色:五彩缤纷从何而来?

  当我们在阳光下吹泡泡的时候,我们会发现泡泡的颜色像水一样动态流转且斑斓多彩。其实,肥皂泡是无色的,之所以在阳光下呈现斑斓的色彩,是阳光在透明薄膜的上下表面反射和相互干涉形成的。

  “反射”与“干涉”在生活中并不少见。我们照镜子能看到自己,依靠的就是光的反射。反射是指光在传播到不同物质时,在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的一种现象。在遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面时,光都会发生反射。而肥皂膜是透明的薄膜,有上下两个表面,当太阳光照射在肥皂膜的表面时,会分别被薄膜的上下两个表面反射。

  物理学家研究表明,光像池塘里面的水波一样,具有很强的波动性。当你向池塘里面丢一颗石子的时候,产生的涟漪相遇,相互干涉的情况下发生了美丽的花纹。如果我们仔细观察的话,就会发现水波某些位置的振动一直加强,而另一些位置的振动一直在减弱。在物理学中,我们将两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象称为干涉。

  

  相长干涉

  (图片来源:作者自制)

  

  相消干涉 (图片来源:作者自制)

  同水波一样,当频率相同的光束相遇时,也会产生相互干涉的情况。值得一提的是,一定厚度的膜,只能使一定波长的光产生稳定的相长干涉或相消干涉,前者指的是两波的波峰(或波谷)同时抵达同一地点,干涉波会产生最大的振幅,后者则是两波的波峰和波谷相遇,使干涉波的振幅减小,而光波的振幅反映了光的强弱,给人眼以物体明暗的感觉。

  

  干涉原理模型 (图片来源:作者自制)

  由于肥皂膜各处的厚度并不均匀,根据相长干涉和相消干涉理论,阳光在厚度不同的膜面上,就会出现或加强、或减弱、或相互抵消的情况,在色彩上,则或红、或蓝、或绿,从而让肥皂泡显得色彩斑斓。

泡泡的启发:这么多的研究都来自它?

  现如今,世界上的肥皂泡爱好者众多,他们成立了“国际泡泡艺术家协会”这样的全球性组织,致力于探究肥皂水秘方以吹出更大的泡泡,甚至还在不断刷新泡泡尺寸的世界吉尼斯记录,回应童年对于大泡泡的憧憬和向往。

  小小的肥皂泡藏着大自然的秘密,物理学家通过它可以研究表面张力,数学家通过它可以研究最小曲面,生物学家通过它可以研究生物体内薄膜的生化机理,力学家通过它可以研究薄膜充气结构……肥皂泡在科研领域大有作为,给了科学家们很多的启示。

  比如,在20世纪初,德国学者普朗特在研究弹性柱体的扭转时,发现在柱体中应力函数所满足的方程和在自重下薄膜满足的方程是一样的;而不久前,法国波尔多大学流体力学专家哈米德·凯利将肥皂泡作为研究大气现象的理想模型,提出了自己关于气旋演变通用定律的猜想;甚至基于肥皂泡做的有关光的分支流的论文《Observation of branched flow of light》登上了Nature的封面,这一切都向我们证明肥皂泡仍有很多秘密值得探索。

  正像英国著名的物理学家开尔文说过:“吹一个肥皂泡并且观察它,你会用毕生之力研究它,并且由它引出一堂又一堂的物理课程。”大自然的奇妙与乐趣,值得我们用一生去探索。

参考文献:

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

  [2]林边,卢克.从虚空到实用小小肥皂泡:值得你研究一生[J].世界博览,2021(19):72-73.

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