Наука в пузыре

Профессор Говард Стоун объяснил науку, связанную с образованием пузырей, во время ежегодной праздничной лекции SEAS 18 декабря. (Фото Элизы Гриннелл/SEAS Communications).

Бросьте скрепку в стакан с водой, и она быстро опустится на дно. Но осторожно поместите ту же самую скрепку на поверхность воды, и она поплывет.

Почему скрепка ведет себя по-другому? Противоположные результаты вызваны поверхностным натяжением, объяснил профессор Говард Стоун во время 15-й ежегодной праздничной лекции в Школе инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона 18 декабря.

Поверхностное натяжение возникает на границе раздела воды и воздуха, поскольку молекулы воды сильнее притягиваются друг к другу, чем молекулы воздуха, в результате чего на поверхность жидкости действует внутренняя сила, которая ведет себя так, как будто она покрыта тонкой мембраной.

Эксперимент со скрепкой был одной из нескольких интерактивных демонстраций, которые использовал Стоун, бывший преподаватель Гарвардского университета, а теперь профессор Диксона в области машиностроения и аэрокосмической техники в Принстонском университете, чтобы продемонстрировать силу науки сотням местных детей и их родителей.

Стоун вместе с научным сотрудником Дэниелом Розенбергом пускали пузыри, лопали воздушный шар с водой, сравнивали размеры капель воды и этанола, пускали в ход веревку по поверхности воды и показывали замедленные видеоролики водомерок в действии – и все это объяснить действие поверхностного натяжения.

Стоун (слева) и Розенберг лопают воздушный шар с водой, чтобы показать, как поверхностное натяжение и гравитация влияют на форму воды при ее падении. (Фото Элизы Гриннелл/SEAS Communications.)

Это поверхностное натяжение нарушается, в результате чего скрепки для бумаг в эксперименте Стоуна падают на дно резервуара с водой, если в воду добавить всего несколько капель мыла.

Мыльная пленка, образующаяся на поверхности воды, является еще одним примером того, как силы создают уникальные свойства на границах раздела, объяснил Стоун. Молекулы мыла состоят из гидрофильных и гидрофобных компонентов; гидрофобные компоненты проталкиваются сквозь молекулы воды, чтобы уйти, образуя пленку с двумя рядами молекул мыла, разделенными тонким слоем жидкости.

«Мы думаем о мыльном фильме как о перетягивании каната», - сказал он. «Весь фильм находится под давлением и тянет на себя».

Детям в аудитории было предложено проиллюстрировать этот химический процесс. В передней части лекционного зала дети в футболках с надписью «гидрофобные» или «гидрофильные», играющие роли молекул мыла, выстроились в ряд по обе стороны от детей в синих рубашках, которые обозначали молекулы воды. Схватившись за руки, человеческая мыльная пленка змеилась по передней части лекционного зала, вызвав аплодисменты родителей, сидевших на своих местах.

Стоун руководит детьми, пока они разыгрывают формирование мыльного фильма. (Фото Элизы Гриннелл/SEAS Communications.)

Возможность разыграть химическую реакцию была самой интересной частью лекции для 9-летней Рэйчел Лью. Ей было особенно интересно узнать о гидрофильных и гидрофобных компонентах молекул мыла.

«Наука многое говорит нам о мире вокруг нас», — сказала она.

Выслушав презентацию Стоуна, 8-летний Уолтер Хопвуд сказал, что больше не будет воспринимать мыльные пузыри как нечто само собой разумеющееся. Он был впечатлен тем, как Стоун и Розенберг использовали «крутые эксперименты» для объяснения каждого процесса.

По словам Стоуна, цель лекций — дать детям базовое понимание научных принципов и побудить их сохранять любопытство. Он черпал вдохновение из книги «Мыльные пузыри», опубликованной в 1890 году и издающейся до сих пор. Он основан на сборнике публичных лекций о свойствах мыльных пленок, которые британский физик Чарльз Вернон Бойс читал семьям в Лондоне в конце 1800-х годов.

«Я надеюсь, что эти дети понимают, что всегда есть чему поучиться», — сказал Стоун. «Продолжайте задавать вопросы, глубоко размышлять и делать собственные наблюдения. В мире так много увлекательных вещей».