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Vast, Warm and Elegant

泡泡的学问

泡泡的组成

数学家为它想破头,物理学家因它争不休,化学家还没琢磨透,生物学家总发愁——是什么让科学家们这么为难?泡泡!没错,就是我们都玩过的,用吸管沾一些肥皂水就能吹出来的泡泡。对小朋友来说,泡泡是玩具,对科学家来说,泡泡是更大的玩具,别小看这简单的泡泡,里面有着丰富多彩的科学世界呢。

一,泡泡的大小算百年

 

泡泡怎么吹?这个问题太简单了吧?把洗涤灵加入水中,拌匀,拿一个吸管,蘸一些混合好后的液体,用嘴轻轻一吹,就吹出泡泡了啊?那么,你想过为什么需要向水中加入洗涤灵或者是肥皂水吗?为什么直接用水吹,不能吹出泡泡呢?拿来洗涤灵,查看一下包装信息,你注意到在配料表一栏写的“表面活性剂”这个成分了吗?这就是能吹出泡泡的秘密。

 

表面活性剂是由一种长的像豆芽的分子组成的物质——分子太小了,你肉眼可是看不见的。“豆芽”分子的大头和水的关系特好,遇到水就抱住不放,而豆芽的尾巴却讨厌水,希望离水越远越好。当表面活性剂的“豆芽”分子遇到水之后,“豆芽”的头部就齐整整地挤挤挨挨地排列在水面上了,尾巴翘起来,远离水。当你用吸管蘸了些溶液开始吹时,空气把水吹开了,“豆芽”分子迅速地重新分布,在薄薄的水层上面和下面,分列成两层,把水夹在中间形成薄薄的一层膜,两边是表面活性剂分子,就像一个两边是表面活性剂,中间是水的三明治。

泡泡结构介绍

两边的“豆芽”分子之间手拉着手,呈现出很好的韧性和延展性,中间的水膜为了保障自己的稳定,把面积缩为最小,就形成了泡泡。泡泡为什么一定要形成球形,而不能是方形、三棱形,或者别的形状呢?数学家在1884年解答了这个问题,因为面积相对体积的大小,比其他形状都更小。但是,如果你再吹一个泡泡,将它与之前的那个泡泡并列贴在一起,变形之后的两个泡泡,还仍然保持着“表面积和体积比最小”这个结论吗?这也需要计算啊,但这一次数学家则花了116年才真正证明了上面那个结论——你吹出两个泡泡,就够数学家头疼一百多年的。

德国馆

1967年世界蒙特利尔世界博览会上,建筑师弗赖·奥托(Frei Otto)就借助泡泡的灵感,用支撑膜结构技术,连接必要的支撑点,使用最少的膜,最大限度地保障了空间,建成了让人耳目一新的德国馆,又过了5年,德国慕尼黑奥运会场馆,又同样使用了“泡泡式”馆顶。你能不能计算一下,自己吹的泡泡,体积有多大?

 

二,泡泡的斑斓为哪般?

 

你仔细观察过自己吹的泡泡吗?如果答案是肯定的,那你一定为它表面出现的斑斓色彩着迷过吧?如果你观察的更仔细些,你还会发现,并不一定每个泡泡都是五彩缤纷的,有的泡泡表面暗淡灰暗,这是怎么回事?

表面的彩纹由于光的干涉

是光照的原因吗?我们可以试一试在不同的光源条件下观察泡泡。白炽灯下,节能灯下,阳光下,总是有的时候彩色,有的时候灰暗,看来光源的类别对泡泡表面的颜色影响不大。是调配泡泡的洗涤灵或肥皂水不同吗?你仍然可以做实验来验证,但结果一样会告诉你,其实和泡泡的配料也无关。那到底是什么影响了斑斓?有是什么导致了暗淡?看来,这里还有学问呢。

 

当光线进入泡泡的上层水面时,一部分被反射,另一部分继续射到下面的水层,并在这层再次反射。先后两次反射的光线“前后脚出发,并排向前走”,有的时候碰在一起,彼此平息,颜色就暗淡,有的时候撞到一块,前簇后拥,反而更加热闹,颜色就愈加斑斓。那么,什么时候碰到平息,什么时候撞得热闹呢?这取决于泡泡的膜层厚度。

泡泡颜色的成因

如果泡泡膜层的薄厚程度,刚好能让射入的光线发生恰到好处的干涉,那就会出现斑斓,中学的物理课上,你会学到这个叫“相长干涉”的知识。你想要泡泡更多彩?最好的办法是多吹几个,因为每次吹出的泡泡的薄厚程度总有些许差别。另外我再告诉你个秘密,这小泡泡表面上的斑斓色彩,还曾经证明了伟大的物理学家牛顿的一个错误哦。牛顿曾经对光的认识是有局限的,他认为光是由一个一个的小微粒构成的,所以他不认为光会拐弯,出现干涉的现象。但是,小小的泡泡,就能帮我们更全面地认识到,光除了牛顿说到的粒子特点外,还有波动特点,否则,哪里来的那些斑斓?怎么样?一个小泡泡,可以驳倒伟大的牛顿呢。

 

三,泡泡的游戏玩不完

 

怎样能够更神奇地玩泡泡?当然是用科学知识来祝我们一臂之力了。

搭一座泡泡塔1

1.怎样让泡泡保持的时间更久:让泡泡周围的环境尽量湿润。如果你想让泡泡停在你的书桌上,那最好先把书桌弄湿,否则干燥的桌面一接触泡泡,就会将水分吸走,把泡泡弄破。你可能已经发现了,当泡泡停留在塑料、雨衣、橡胶手套这些防水的材料上时,能够保持更长的时间,甚至你还可以用这些材料来把泡泡当乒乓球颠。这是因为这些材料都具有疏水性,水不喜欢它们,喜欢躲它们远远的,所以泡泡一遇到它们,就弹开了。和小伙伴们比一比,看谁颠泡泡的次数最多?玩累的时候,你也就给泡泡找一个最安全的地方吧——水面,泡泡在那里能保持的时间最长。

 

2.怎样让泡泡更结实:可以加入一些甘油或白糖,这些物质能够让泡泡更具韧性。你吹过的最大的泡泡有多大?听科学家说,泡泡最高能吹4米,宽度呢?没有最宽,只有更宽。你要不要挑战一下呢?

 

3.怎样搭建泡泡塔:泡泡挤在一起时,接触面会融合在一起,你发现两个泡泡之间的面会向哪个方向凸起吗?没有观察过?快去操作一番看看吧,小泡泡和大泡泡接触后,凸起会朝着大泡泡那方,两个大小一样的泡泡遇到一起,中间层会不偏不倚。三个势均力敌的泡泡在一起呢?接触面形成的角度恰好都是120°。那么更多的泡泡放一块,又会怎么样呢?如果让你用泡泡搭一座泡泡塔,每一层泡泡的大小应该怎样设计才能搭得更高呢?

 

4.怎样吹出多层泡泡:有的泡泡高手可以吹出多层的泡泡,一个大泡泡中套着一个中泡泡,中泡泡中还有小泡泡。怎么做到的?你可以先吹一个大泡泡,然后小心地将吸管抽出来,重新蘸一下洗涤灵和水的混合液,再小心将吸管插入大泡泡,轻轻地吹,一个新泡泡在大泡泡中就产生了。以此类推,就能吹出更多层的泡泡了。你最多能吹几层?

 

生物学家们看到这样的泡泡会想到,我们地球上生命演化的初期,可能就经过了泡泡套泡泡的历程,最初的单细胞生命就像一个简单的泡泡,也许某一天,在某种因素下,另外一个简单的泡泡套了进来,就变成了双层的泡泡,然后,更复杂的泡泡又产生,生命就这样变得复杂起来了。这种真核细胞起源学说叫做“内共生起源学说”,这种学说描述了原来只有一层细胞膜的细胞,后来在环境的作用下,渐渐在细胞中,又纳入了其他的细胞,这些新纳入的细胞后来就演化成了细胞器,再随着时间慢慢演进,出现了更复杂的结构。在35亿年的生命演化史上,也许生命的起点就是从泡泡开始的。

 

怎么样?泡泡的学问可不小吧?瑞士的大学教授简.泰勒(Jean E. Taylor)的研究指出:“经常玩泡泡,经常研究泡泡的孩子,他们的大脑皮层上,控制运动的区域发展的更好。而那些从小就开始玩泡泡的孩子则比从来都不玩泡泡的孩子,在运动技能上有更好的表现。怎么样,这下你可以不用害怕家长指责你玩物丧志,正大光明地去玩泡泡吧?

泡泡最高不超过4米

 

参考资料

 

  1. 德国馆建筑介绍:http://www.archdaily.cn/cn/767400/jing-dian-1967shi-bo-hui-de-guo-guan-frei-otto-and-rolf-gutbrod

2. 泡泡的光学:http://www.webexhibits.org/causesofcolor/15E.html

 

3.泡泡艺术表演:http://www.pepbou.com/project/clinc/

 

4.可以延伸的问题:https://www.zhihu.com/question/27583226

 

5.瑞士大学教授的研究报告:http://www.jstor.org/stable/1970949?origin=crossref&seq=1#page_scan_tab_contents

 

6.主要参考:https://en.wikipedia.org/wiki/Soap_bubble

 

作者:段玉佩

本文发表于《知识就是力量》2016.04月刊

一稿:2016.03.07

二稿:2016.03.14

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