비누필름
Soap film |
비누 필름은 공기로 둘러싸인 얇은 액체 층입니다.예를 들어 두 비누 방울이 접촉하면 두 비누 방울이 합쳐지고 그 사이에 얇은 막이 생성됩니다.따라서, 거품은 Plato 경계에 의해 연결된 필름의 네트워크로 구성되어 있습니다.비누 필름은 수학에서 널리 사용되는 최소 표면을 위한 모델 시스템으로 사용될 수 있습니다.
안정성.
매일의 경험은[citation needed] 비누 거품이 물이나 순수한 액체로는 가능하지 않다는 것을 보여준다.사실, 계면활성제의 분자 눈금으로 구성된 비누의 존재는 막을 안정시키기 위해 필요하다.대부분의 경우, 계면활성제는 양성인데, 이것은 그들이 소수성 부분과 친수성 부분을 모두 가진 분자라는 것을 의미한다.따라서 공기/수면에 우선적으로 배치됩니다(그림 1 참조).
계면활성제는 필름의 양쪽 표면 사이에 반발을 일으켜 얇아지는 것을 방지하고 결과적으로 터지는 것을 방지하기 때문에 필름을 안정화시킵니다.이는 분리 압력과 관련된 계산을 통해 정량적으로 나타낼 수 있습니다.주요 반발 메커니즘은 입체(계면활성제가 혼합될 수 없음)와 정전(계면활성제가 충전된 경우)입니다.
또한 계면활성제는 마랑고니 효과로 인해 막 두께 변동에 대해 보다 안정적으로 필름을 만듭니다.이는 인터페이스에 탄성을 부여합니다.표면 농도가 균일하게 분산되지 않으면 마랑고니 힘은 표면 농도를 다시 균일화하는 경향이 있습니다(그림 2 참조).
안정화 계면활성제가 존재하더라도 비누막은 영원히 지속되지 않는다.물은 대기의 습도에 따라 시간이 지남에 따라 증발한다.또한 막이 완전히 수평이 되지 않는 순간 중력에 의해 액체가 바닥으로 흘러내려 액체가 바닥에 쌓인다.맨 위에서, 그 영화는 쿵쾅거리고 터진다.
표면 장력의 중요성: 최소 표면
수학적인 관점에서 보면 비누막은 최소한의 표면이다.표면 장력은 단위 면적당 표면을 생성하는 데 필요한 에너지입니다.필름은 다른 물체나 구조물처럼 최소 위치에너지 상태로 존재하는 것을 선호합니다.에너지를 최소화하기 위해, 자유 공간에 있는 액체 방울은 주어진 부피에 대해 최소 표면적을 갖는 구형의 형태를 자연스럽게 취합니다.웅덩이와 막은 중력과 기질 원자에 대한 분자간 흡인력과 같은 다른 힘의 존재 하에서 존재할 수 있습니다.후자의 현상은 습윤이라고 불립니다: 기판 원자와 막 원자 사이의 결합력은 총 에너지를 감소시킬 수 있습니다.이 경우, 가능한 한 많은 막 원자가 기질에 근접하는 것이 신체에 대한 가장 낮은 에너지 구성이 될 것입니다.그러면 기판 위에 무한히 넓게 퍼지는 무한 박막이 생성됩니다.실제로 접착성 습윤(표면 최대화)의 효과와 표면 장력(표면 최소화)의 효과는 서로 균형을 맞출 수 있습니다. 즉,[1] 신체에 작용하는 힘에 따라 안정적인 구성이 물방울, 웅덩이 또는 박막일 수 있습니다.
색상
비누막의 무지개 빛깔은 (내부 및 외부) 반사된 빛의 간섭에 의해 발생하며, 박막 간섭이라고 불리는 공정으로 필름의 두께에 의해 결정됩니다.이 현상은 무지개 색깔의 기원(내부 반사광의 굴절에 의해 발생)과 동일하지 않고 오히려 젖은 도로의 기름띠에 색을 발생시키는 현상과 동일하다.
배수
계면활성제가 잘[2] 선택되고 대기 습도와 공기 이동이 적절히 조절되면 수평 비누 필름은 몇 분에서 몇 시간 동안 지속될 수 있습니다.반면 수직 비누막은 중력의 영향을 받기 때문에 액체가 빠지기 쉬워 비누막의 윗부분이 얇아진다.색상은 막 두께에 따라 달라지는데, 이는 그림 4의 상단에서 볼 수 있는 색상의 간섭 테두리를 설명합니다.
흑점
배수의 후반기에 날카로운 검은 반점이 생기기 시작한다.이러한 점들은 일반 비누 필름보다 상당히 얇고(< 100 nm), 검은색 간섭 색상을 발생시킵니다.검은 반점이 생길 수 있는지 여부는 비누의 농도에 따라 다르며, 또한 두 가지 종류의 검은 [3]막이 있습니다.
- 두께가 약 50 nm인 일반적인 검은색 필름 및
- 두께가 약 4nm인 뉴턴 블랙 필름은 더 높은 전해질 농도가 필요합니다.이러한 필름에서 외부 비누 표면은 효과적으로 서로 맞물려 내부 액체의 대부분을 집어들었다.
배수가 계속됨에 따라, 검은 점들이 결국 비누막 전체를 차지하게 되고, 그 극도의 얇음에도 불구하고, 최종 검은 점들은 꽤 안정적이고 몇 분 동안 살아남을 수 있다.
터지다
비누막이 불안정하면 터지는 것으로 끝납니다.영화 속 어딘가에 구멍이 생기고 매우 빠르게 열린다.표면 장력은 실제로 표면 최소화로 이어져 필름 소실을 초래합니다.구멍 구멍은 순간적이지 않고 액체 관성에 의해 느려집니다.관성력과 표면 장력 사이의 균형은 개방 [4]속도로 이어진다. h{ V ={ \ h } ） ） 、 \ 、（ \ rh ） 。
레퍼런스
- ^ Gennes, Pierre-Gilles de. (2004). Capillarity and wetting phenomena : drops, bubbles, pearls, waves. Brochard-Wyart, Françoise., Quéré, David. New York: Springer. ISBN 0-387-00592-7. OCLC 51559047.
- ^ 볼, 2009. 페이지 61~67
- ^ Pugh, Robert J. (2016). "Soap bubbles and thin films". Bubble and Foam Chemistry. Cambridge. pp. 84–111. doi:10.1017/CBO9781316106938.004. ISBN 9781316106938.
- ^ Culick, F. E. C. (1960). "Comments on a Ruptured Soap Film" (PDF). Journal of Applied Physics. AIP Publishing. 31 (6): 1128–1129. Bibcode:1960JAP....31.1128C. doi:10.1063/1.1735765. ISSN 0021-8979.
일반 소스
- Ball, Philip (2009). Shapes. Nature's Patterns: a tapestry in three parts. Oxford University Press. pp. 61–67, 81–97, 291–292. ISBN 978-0-19-960486-9.
