Svet bublín

Svet bublín
 
Úvod
Vyfukovanie mydlových bublín nie je zďaleka tak detinskou zábavou, ako sa na prvý pohľad zdá.Lesklá mydlová bublina vznášajúca sa vo vzduchu je jeden z mnohých zázrakov prírody. Je priam prekvapujúce, že sa dokáže udržať „pri živote“ čo len pár sekúnd.Vždy nás zaujme a provokuje k zamysleniu. Kde sa vzala jej svojrázna dokonalosť? Je prejavom skrytej rovnováhy tlakových a medzimolekulových síl. Slávny Angličan lord Kelvin raz povedal: "Vyfúknite si  mydlovú bublinu a pozorujte ju; môžete ju skúmať celý život a vždy vám ponúkne nové prekvapenia." Už od detstva som bola fascinovaná svetom pestrofarebných bublín. Prostredníctvom môjho projektu by som chcela priblížiť a objasniť ich fyzikálnu podstatu aj ostatným.
Ukážeme si niekoľko pokusov, v ktorých bude dôležité napríklad povrchové napätie, ktoré je spoluzodpovedné za vznik mydlových bublín. Presvedčíme sa o neobyčajnom geometrickom talente tenkej kvapalinovej blany, ktorá si sama dokáže nájsť zaujímavé tvary a ktorá tak rešpektuje aj tie najnáročnejšie pravidlá vedy zvanej geometria.Vysvetlíme si, prečo bubliny menia farby a povieme si niečo o významných „bubblemenoch“, ich bublinovom umení a o ich svetových rekordoch.
  
2 Fyzikálna podstata
Mydlové bubliny pozostávajú z  veľmi tenkého filmu mydlovej vody v tvare gule s perleťovým povrchom. Najčastejšie sa z nich tešia deti, ale ich využitie v predstaveniach umelcov a zabávačov dokazuje, že môžu byť taktiež fascinujúce pre dospelých. Mydlové bubliny môžu pomôcť riešiť zložité matematické problémy spojené s priestorom a najnovšie vedcom pomáhajú pri výskume tornád. Pri fúkaní bublín sa využíva princíp povrchového napätia a prúdu vzduchu, ktorým sa vyplní slabá membrána zo špeciálnej kvapaliny.Tlačiaci vzduch ju začne deformovať, membrána sa začína naťahovať a vytvárať podlhovastý tvar. Vďaka snahe každého telesa dosiahnuť tvar s najnižšou energiou sa začne vznikajúce teleso deformovať do tvaru gule. Ako bublina narastá, pôsobí na ňu stále väščí tlak vzduchu prúdiaci okolo otvoru, čo má za následok jej odlúčenie. Následne dochádza k jej postupnému zaguľateniu do doby, kým nepraskne. Bublina praskne kvôli oslabovaniu stien. Vplyvom gravitácie dochádza k odtoku vody a prípravku do jej dolnej časti. Zvláštnym prípadom je narušenie jej steny predmetom alebo nečistotou v okolí, čo zmení stav povrchového napätia, prípadne nastanú zmeny tlaku v okolí bubliny, čo má za následok tiež jej prasknutie.
 
2.1 Tlak vzduchu v bubline
Mydlovú bublinu môžeme považovať za vzduch obkolesený vodou a mydlom. Vzduch uzavretý vo vnútri spôsobuje tlak na mydlový obal  zvnútra a tak isto vzduch okolo bubliny tlačí na jej obal z vonkajšej strany. To znamená, že na mydlový obal pôsobí tlak z oboch strán. Tlak vzduch vo vnútri bude vždy väčší ako ten vonkajší. Niekto sa môže spýtať, prečo sa bubliny nezväčšujú, ak je tlak vo vnútri väčší? Musíme teda počítať s ďalším tlakom- tlak mydlového obalu sám o sebe. Povrchové napätia mydlového obalu bude robiť jeho povrch taký malý, ako len bude možné. Bubliny nenarastú preto, lebo medzi vnútorným tlakom a vonkajším tlakom s tlakom mydlového obalu je rovnováha. Čím väčšia bublina, tým menší tlak! Tlak v nekonečne malej bubline bude z princípu nekonečne veľký. Bubliny majú tendenciu vytvárať čo najmenší povrch. Keď sú dve bubliny pri sebe, spoja sa a zdieľajú jednu stenu. Rozdiel tlakov medzi dvomi bublinami je očividný, keď sú spravené na plochom podklade a navzájom sa dotýkajú, teda zdieľajú jednu spoločnú stranu. Rozdiel tlakov v dvoch rovnakých bublinách musí byť rovný nule a spoločná stena bublín bude plochá, kolmá na podklad bublín. Ak majú bubliny rôznu veľkosť, preto aj rôzny tlak, spoločná stena bude vydutá od bubliny s väčším tlakom. Ak si ukážeme experiment, uvidíme, že menšia bublina je vydutá do väčšej. To dokazuje, že tlak v malej bubline je väčší ako vo veľkej.
  
Dve rovnaké bubliny s rovnakými tlakmi  Bubliny s rôznymi tlakmi
=> spoločná stena je plochá  => spoločná stena je vydutá
 
Tlak vzduchu (kapilárny tlak- vzniká pri kvapalinách so zakriveným povrchom) „p“ vo vnútri bubliny sa dá vyjadriť matematicky rovnicou:
  └┘
- je povrchové napätie kvapaliny
- R je polomer bubliny, kapilárny tlak je nepriamo úmerný polomeru bubliny
-bublina má dva povrchy
 
1 bar= 100 000 Pa
 
 Pretlak vo vnútri mydlovej bubliny je spojený s veľkosťou bubliny, ako je vidieť z grafu. Tento tlak je vyšší v malých bublinách ako vo veľkých.
 
2.2 Prečo je potrebné na výrobu bublín mydlo?
Mydlová bublina drží spolu vďaka povrchovému napätiu, ktoré vyplýva z elektrických síl medzi molekulami v kvapaline.Nie je nezvyčajné, že si ľudia mylne myslia, že mydlo dáva bublinovej zmesi jej povrchové napätie a preto ho používame na výrobu bublín. Vlastne je to naopak. Čistá voda ma veľké povrchové napätie - inak povedané jej čiastočky (molekuly) navzájom držia veľmi pevne. Mydlo znižuje povrchové napätie  tekutiny. Ak nájdeme správnu kombináciu vody a mydla, tekutina bude mať správne povrchové napätie pre produkciu stabilných bublín.  Mydlo je veľmi špecíalna zlúčenina, pretože dokáže zmiešať vodu a tuky, napriek tomu, že sa bežne zmiešať nedajú. Vysvetlenie, prečo voda nedokáže rozputiť tuky je, že molekuly vody prednostne priťahujú polárne molekuly, zatiaľ čo tuky sú nepolárne molekuly.Mydlové molekuly sú polárne a nepolárne súčasne: Polovica molekúl je polárna a priťahuje vodu a druhá  polovica je nepolárna- viaže sa na tuky.
Mydlo bude prednostne umietnené na povrchu zmesi vody a mydla. Dôvodom je, že nepolárna časť mydla sa nezmieša s vodou a preto bude vytlačená z vody. Z tohto dôvodu sa nepolárna časť mydlových molekúl vztýči nad povrch. Pretože mydlové molekuly sú situované na povrchu, nahradia niektoré povrchové molekuly vody a posunú ich nižšie do kvapaliny. Z tohto dôvodu tu bude menej povrchových molekúl vody ako v čistej vode, čo má za následok relatívne nižšie povrchové napätie pre zmes vody a mydla. Kedˇsa dosiahne istá koncentrácia mydlových molekúl, nemôže byť ďalej zvýšená, mydlo začne tvoriť malé zhluky v celej kvapaline, nazývané micely.
Keďže nepolárny koniec mydlových molekúl vytŕča z povrchu bubliny, mydlový obal je chránený pred vyparovaním a preto sa podstatne zvýši životnosť bubliny.

Vpravo:V bublinovej zmesi sú mydlové molekuly prednostne umiestnené na povrchu kvapaliny.
Vľavo: Micela - lipofilné konce molekuly tenzidu sa rozpúšťajú v oleji, hydrofilné ionizované konce sa orientujú smerom von a tým zakrývajú zvyšok hydrofóbnej micely.

2.3 Glycerín v bublifukovej zmesi
Najlepšie recepty na bublifukové zmesi obsahujú glycerín(glycerol). Glycerín zlepšuje zmes dvomi spôsobmi- zvyšuje životnosť bublín a robí ich elastickejšími. Voda sa z bublín vyparuje neustále. Ako výsledok tohto procesu sa mydlový obal stáva tenší, až kým nepraskne. Glycerín zostane na povrchu zmesi a preto zredukuje počet molekúl vody na povrchu.Glycerínové molekuly pritiahnu molekuly vody a sformujú slabé chemické väzby- vodíkové väzby, ktoré sťažia molekulám vody opustiť povrch bubliny. Vyparovanie bude pomalšie.
 
 
Vľavo: Mydlový film bez glycerínu. Film obsahuje iba molekuly vody a mydla. Odparovanie vody z filmu je pomerne veľké.
Vpravo: Mydlový film s glycerínom. Glycerín je umiestnený na povrchu filmu a tým bráni odparovaniu vody.
 
Hovorí sa, že glycerín robí mydlový obal  elastickejší. Glycerínové  molekúly sa vsunú medzi molekuly mydla. Keď sa obal hýbe, molekuly mydla(nabité a dlhé) pohybujú s menšími molekulami glycerínu namiesto toho, aby hýbali s ostatnými  molekulami mydla. Toto dáva molekulám mydla viac slobody v pohybe a preto sú bubliny flexibilnejšie. Podľa mnohých receptov sa majú bublifukové zmesi vytvárať pár hodín  pred použitím, lebo glycerín potrebuje čas, aby sa zabalil medzi molekuly mydla.

2.4 Geometria bublín
Jedna z fascinujúcich vecí zo sveta štruktúry bublín je, že vždy minimalizujú svoj povrch. Voľne plachtiaca bublina je napríklad vždy guľatá a mydlový film na plochej bublifukovej obruči je vždy rovný. Plocha mydlového obalu je v oboch prípadoch minimálna.
-  voľne plachtiaca guľatá bublina
-  plochý mydlový film na obruči
 
Minimálna konštrukcia je pomenovanie pre usporiadanie, ktoré zmešuje povrchovú plochu bublín. Minimálnu konštrukciu charakterizuje to, že plocha je minimálna vzhľadom na nejaké špeciálne obmedzenia. Môže to byť napríklad tvar bublifukovej obruče alebo objem vzduchu uzavretého vo vnútri bubliny. Gravitácia môže byť taktiež jedno z obmedzení. Mydlový film nemôže zmeniť pôvodné obmedzenia, ale môže zmeniť tvar jeho povrchu. Ak mydlový film neobsahuje žiadne bubliny, môžeme ho nazvať minimálny povrch. Ten je charakterizovaný celkovým zakrivením rovným nule v každom bode. To znamená, že pre všetky body na povrchu, ak je povrch zakrivený s istou veľkosťou v jednom smere, v rovnakom bode na povrchu bude taktiež zakrivený s mínusovou veľkosťou v normálnom ( kolmom) smere.
  Ak uzavrieme vzduch vo vnútri mydlového obalu a spravíme bublinu, mydlový obal nebude mať minimálny povrch, lebo bude ohraničovať objem. Avšak obal bude stále minimálny vzhľadom k minimálnemu povrchu, ktorým môžeme pokryť daný objem vzduchu. Preto môžeme použiť pomenovanie „ minimálna konštrukcia“ pre všetky druhy mydlových filmov. Ale pozor, musíme rozlišovať, či ide o minimálny povrch alebo o minimálnu konštrukciu.
 
Minimálne povrchy a minimálne konštrukcie mávajú veľmi pekné tvary. Spôsob, ako skúmať tieto tvary je jednoduchý, stačí  ponoriť trojrozmerné  drôtené štruktúry do mydlovej zmesi. Môžeme vytvoriť napríklad tvar kocky.
 
Minimálne povrchy vo vnútri drôtenej kocky.
Zľava:  Sedlový tvar, sedlový tvar v diagonálnej rovine, diagonálna rovina.

Minimálna konštrukcia v kocke.
Vľavo: Oko
Vpravo: Zložitá štruktúra
 
Ďalši krásny útvar s minimálnym povrchom je katenoid. Môže byť vytvorený medzi dvomi veľkými obručami. Skutočné vlastnosti minimálneho povrchu môžu byť pozorované na katenoide. Povrch sa v každom bode zakrivuje s rovnakou veľkosťou v opačnom smere.
 
Katenoid- v každom bode na povrchu filmu je celkové zakrivenie nulové
 
Katenoid je zostrojený rotáciou hyberbolickej funkcie
 
  Na zostojenie minimálnej konštrukcie nepotrebuje drôtenú kocku. Stačia nám slamky. S nimi môžeme zostrojiť: štvorsten, šesťsten (kocka) alebo dvanásťsten ( mydlový film nie je matematicky dokonalý).
Dymová kocka vo vnútri štruktúry
Dvanásťsten vo vnútri štruktúry
 
Všetky telesá pozostávajú z rovnakých pravidelných mnohouholníkov na každej strane
Zľava: 4-,6-,8-,12- a 20- sten
 
Ak si vezmeme dve tabule skla oddelené od seba asi 1 cm, namočíme ich do mydlového roztoku a potom medzi ne spravíme bubliny, dostaneme veľa bublinových stien. Keď sa pozrieme bližšie, zistíme, že všetky vrcholy, kde sa stretávajú tri steny vytvárajú 120 stupňové uhly. Ak sú bubliny rovnakej veľkosti, pripomínajú nám šesťuholníkové bunky vo včeľom úli. Včely rozmýšľajú  rovnako ekonomicky ako bubliny. Chcú použiť minimálne množstvo vosku pre výrobu ich plástov.
 
2.5 Interferencia
Hrúbka obalu, vlastne jeho tenkosť určuje kedy môžeme pozorovať dúhové zafarbenie bubliny. Svetlo sa odráža z dvoch vrstiev mydlovej bubliny, z vnútornej vrstvy aj z vonkajšej vrstvy.

Keď prichádzajúci lúč dopadne na vonkajšiu vrstvu bubliny, jedna časť sa hneď odrazí, zatiaľ čo tá druhá prejde do mydlového filmu. Po tom, ako dosiahne vnútornú vrstvu, táto časť svetla sa odrazí späť smerom k vonkajšej vrstve. Keď opustí bublinu, odchádza rovnakým smerom ako prvý lúč, ktorý sa odrazil hneď pri dopade na vonkajšiu vrstvu, preto sú tieto dva lúče  rovnobežné.
 
Ak sa tieto dva lúče odrazia späť, tak, že ich vlnové dĺžky sú navzájom fázovo posunuté , druhý lúč čiastočne zruší odraz prvého. Tento jav sa volá deštrukčná interferencia, ktorá spôsobuje redukciu intenzity farieb.

Avšak ak sú vlnové dĺžky týchto dvoch odrazených lúčov vo fáze, posilnia sa navzájom. Tento jav sa volá konštruktívna interferencia. Svetelné lúče, ktoré sa odrazia z vnútornej vrstvy bublinového obalu prejdu dlhšiu vzdialenosť ako tie, ktoré sa odrazia z vonkajšej vrstvy. Niektopré vlnové dĺžly budú pôsobiť deštruktívnou interferenciou iné konštruktívnou, to záleží od vzdialenosti, ktorú prejdu lúče, od preniknutia vonkajším obalom po odraz od vnútorného. Od toho záleží aj, či sú lúče vo fáze alebo posunuté o fázu. Táto vzdialenosť zavisí od uhlu dopadajúceho lúču a od hrúbky bublinového obalu.

Biele svetlo je vytvorené z viacerých farieb, ktorým zodpovedá príslušná vlnová dĺžka. Ako sa mení hrúbka obalu bubliny, tak sa musí meniť aj vzdialenosť, ktorú prejde lúč prechádzajúci filmom. Interferencia je konštruktívna, keď táto vzdialenošt zodpovedá celkovej vlnovej dĺžke svetla, a deštruktívna je, keď dosiahne polovičnú vlnovú dĺžku. Takže ak biele svetlo svieti na bublinu, obal odrazí svetlo so špecifickým odtieňom, ktorý sa mení podľa hrúbky obalu bubliny. Dúhové zafabenie mydlovej bubliny, ktoré vyzerá, že obsahuje množstvo meniacich sa farieb, vyplýva z odrazov lúčov pod rôznymi uhlami. Svetlo vchádzajúce do bubliny kolmo prejde kratšiu cestu ako svetlo, ktoré vstupuje do obalu bubliny pod väčším uhlom. To umožňuje, že existujú rôzne vlnové dĺžky, ktoré podstupujú deštrukčnej a konštruktívnej interferencii, takže pozorujeme rôzne farby.  
  
2.5.1 Zmena farieb
Hrubý obal ruší vlnovú dĺžku červenej farby. Ako sa obal zmenšuje ruší žlté farby, po nich zelené farby a nakoniec modrá farba zmizne tiež. Záverečné farby sú kombináciou farieb, ktoré neprešli deštruktívnou interferenciou, ale závisia od konštruktívnej. Modro-zelené farby dominujú v hrubých obaloch a žlto červené farby zase v tenších obaloch. Napokon sa obal natoľko zmenší, že už nevytvára viditeľné vlnové dĺžky, pretože všetky sú zrušené. V tomto momente je bublina bez farby. Bublina sa stane úplne priesvitná.

2.6 Zaujímavé druhy bublín
2.6.1 Zamrznuté bubliny
Čím je vyššia teplota vody v bubline, tým sa rýchlejšie vyparuje.
Dlho- trvajúcu bublinu môžeme vytvoriť znížením teploty bubliny.
Keďže bublina pozostáva najmä z vody, môžeme ju zamraziť.
Je veľmi zaujímavé robiť bubliny v extrémne chladnom počasí, pretože bubliny môžu zamrznúť počas ich vznášania. Ak máme šťastie, bublina pristane na zem bez rozlámania. Ak si vyrobíme drôtený držiak na bublinu, môžeme ju zmraziť aj v mrazničke. Po minúte bude bublina zmrazená. Pri teplote pod 0 stupňov bude vyparovanie takmer zastavené a bublina vydrží veľmi dlho. Ale po vybratí z mrazničky sa bublina rýchlo rozpustí a pri tomto procese sa obvykle praskne. Môžeme spraviť dieru v zamrznutej bubline a bublina sa nerosype.

2.6.2 Obrovské bubliny
Na výrobu obrovských bublín potrebujeme špeciálny bublinový fukár (ktorý si môžeme vyrobiť sami) a dobrý recept na bublinovú zmes.
  
2.6.3  Zubbles (Zubliny)- zafarbené bubliny
Takzvané „ zubbles“ sú farebné mydlové bubliny, ktoré po prasknutí  nezanechávajú škvrny. Pozostávajú z faribiacich molekúl so základnou nestabilnou štruktúrou nazývanou „ laktónový prsteň“. Na purpurové bubliny sa používajú chemikálie nazývané „ kryštálovo- fialový laktón“. Po prasknutí farbivo zmizne.  Ich vynálezca sa volá Tim Kehoe.
 
2.7  Zaujímavosti zo sveta bublín
Najväčší bublinový múr na svete meral  47 metrov a 40 centimetrov. Jeho povrchová plocha merala 370,40 metrov štvorcových. Zostojil ho Fan Yang. Slávny bublifukár Samsam Bubbleman použil špeciálnu 12- metrovú obruč na vytvorenie obrovskej bubliny, ktorá obkolesila 50 detí.

Eiffel Plasterer vyfúfok bublinu, ktorá vydržala vyše rok

Mydlové bubliny pomáhajú pochopiť hurikán
Mydlová bublina je ideálnym modelom pre štúdium atmosféry, pretože má analogické fyzikálne vlastnosti a rovnako ako atmosféra je veľmi tenká v porovnaní s jej priemerom. V experiment vedci vytvorili polovičnú mydlovú bublinu, ktorú pri „rovníku“ zohriali a potom schladili na „póle“, čím vytvorili jeden veľký vír podobný hurikánu v stene bubliny. Výskumníci skúmali pohyb tohto víru, ktorý sa náhodne mení. Je to v dôsledku tzv. superdifuzívneho zákona známeho fyzikom, ktorý však doteraz nebol pozorovaný v prípade jediného víru v turbulentnom prostredí. Zvláštna zhoda medzi vírom na bubline a cyklónom viedla výskumníkom k štúdiu podobných čŕt. Detailnou analýzou trajektórií hurikánov Ivan, Jane alebo Nicholas merali vedci náhodný faktor, ktorý je v pohybe hurikánu vždy prítomný. Ukázali, že k týmto fluktuáciám dochádza aj na mydlovej bubline. Ak vedci vezmú pri predpovedaní trajektórie hurikánu do úvahy náhodný faktor, budú môcť lepšie určiť pravdepodobnosť zasiahnutia určitej oblasti alebo miesta. Napriek tomu, že meteorológovia dnes dokážu už pomerne presne určiť hlavný smer šírenia hurikánu, náhodný faktor simulovať nevedia. Objav len podčiarkol univerzálnosť štatistiky fluktuácie trajektórie a mal by uľahčiť predpovedanie správanie hurikánov a znížiť riziká spojené s týmto prírodným javom.
 
2.8 Záver
Týmto projektom som ukázala, že fyzika môže byť aj plná zábavy a farieb. Verím, že aj ostatní už nepovažujú bubliny len za „ detskú zábavku“, ale za jeden z fenoménov prírody, ktorý má opodstatnenie vo fyzike a dodržiava prísne fyzikálne pravidlá. Zodpovedali sme si otázky, prečo je bublina guľatá, prečo mení farby, akú úlohu zohráva povrchové napätie,  mydlo a glycerín. Keďže už poznáme teóriu vzniku bublín, hurá do praktickej časti