Мыльный пузырь получается, когда воздух растягивает тонкую плёнку раствора воды и поверхностно-активного вещества. Плёнка состоит из слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул мыла или моющего средства. Эти молекулы помогают плёнке растягиваться и замедляют её разрушение.
Чистая вода тоже образует поверхность с натяжением, но большая свободная плёнка из неё быстро стягивается и рвётся. Добавка моющего вещества делает образование устойчивого пузыря гораздо легче.
Что делает мыло
Молекула поверхностно-активного вещества имеет две разные части. Одна взаимодействует с водой, а другая стремится избегать её и ориентируется к воздуху. На обеих сторонах плёнки молекулы выстраиваются так, что водный слой оказывается между ними.
Поверхностно-активное вещество снижает поверхностное натяжение воды и помогает распределять напряжение по плёнке. Если участок растянулся и стал тоньше, движение раствора может частично выровнять концентрацию и толщину.
Говорить, что мыло создаёт отдельную резиновую оболочку, не совсем правильно. Стенка пузыря остаётся жидкой, течёт под действием тяжести и постоянно меняет толщину.
Как возникает пузырь
Когда рамку или кольцо опускают в раствор, в отверстии остаётся плоская плёнка. Поток воздуха давит на неё и выгибает наружу. Края плёнки соединяются за воздушным объёмом, и образуется замкнутый пузырь.
Внутри находится тот же воздух, которым подули, а не особый газ, созданный мылом. В растворе при перемешивании образуется множество маленьких пузырьков, поэтому появляется пена. Почему моющее средство легко создаёт пену, подробнее объясняет статья «Почему пенится мыло?».
Если дуть слишком резко, плёнка растягивается неравномерно и лопается. Медленный ровный поток обычно позволяет получить более крупный пузырь.
Почему пузырь становится круглым
Поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь плёнки. Для заданного объёма воздуха наименьшую площадь поверхности имеет шар, поэтому свободный пузырь принимает почти сферическую форму.
Пока пузырь прикреплён к рамке или касается других пузырей, его форма искажается. В пене соседние ячейки давят друг на друга и образуют плоские границы. После отделения одиночный пузырь снова стремится стать круглым.
Движение воздуха и сила тяжести могут вытягивать летящий пузырь, но поверхностное натяжение постоянно возвращает его к форме шара. Отдельный разбор находится в материале «Почему мыльные пузыри имеют круглую форму?».
Откуда берутся радужные цвета
Свет отражается одновременно от наружной и внутренней поверхностей тонкой плёнки. Два отражённых луча накладываются друг на друга. Одни длины волн усиливаются, другие ослабляются, поэтому глаз видит меняющиеся цвета.
Толщина плёнки неодинакова и постоянно меняется: жидкость стекает вниз, вода испаряется, а по поверхности идут потоки. Поэтому цветные полосы движутся. Этот эффект называют интерференцией в тонких плёнках.
Когда верхняя часть становится очень тонкой, она может выглядеть почти чёрной. Это часто означает, что пузырь скоро лопнет. Подробнее о цветах рассказывает статья «Почему мыльные пузыри переливаются разными цветами».
Почему мыльный пузырь лопается
Жидкость в стенке постепенно стекает вниз под действием тяжести. Одновременно вода испаряется. Плёнка становится тоньше, и в какой-то момент небольшой дефект или прикосновение разрывает её.
Сухой палец быстро нарушает структуру плёнки, а мокрый предмет иногда удаётся осторожно провести через пузырь. Пыль, жир и острые края тоже создают слабые места. На солнце и ветру испарение идёт быстрее, поэтому пузыри живут меньше.
Сахар, глицерин или некоторые полимеры способны замедлить высыхание и стекание жидкости. Но избыток добавки утяжеляет раствор и не обязательно улучшает результат. Для домашних опытов достаточно воды и небольшого количества средства для мытья посуды, а точную пропорцию подбирают с учётом его состава.
Почему пузырь не улетает как воздушный шар
Воздух внутри почти такой же плотности, как снаружи, а плёнка добавляет массу. Поэтому собственная подъёмная сила пузыря невелика. Он движется главным образом вместе с воздушными потоками и постепенно опускается.
Тёплый воздух внутри может ненадолго изменить движение, но обычный мыльный пузырь не работает как шар, наполненный гелием. Его лёгкий полёт объясняется малой массой и потоками воздуха.
Короткий ответ
Мыльный пузырь представляет собой воздух в тонкой водной плёнке, стабилизированной молекулами моющего вещества. Поверхностное натяжение придаёт ему круглую форму, отражение света от двух сторон плёнки создаёт радужные цвета, а стекание воды и испарение со временем приводят к разрыву.
