Károly Ireneusz Fizika Tanulmányi Verseny

                                1998/99 -es tanév

 

                 13-14 éves korcsoport: I. otthoni kísérleti munka 

 

         Szent László ÁMK 8 osztályos gimnázium 7.B osztály tanulói

                                         6500 Baja, Katona József u.3.

     

             A szakkör tagjai :

              Ivity Péter

                                                    Kémenes Balázs                              

                 Kómár Béla

                     Kriskó László

                      Milasin Árpád

             

              Szakkörvezető:   Jaloveczki József (kémia-fizika szakos tanár)

                                  

              (Az aláhúzással kijelölt tanulók vesznek részt a II. és III. fordulóban)

 

                       

                       Szappanbuborékok

 

 

Nem olyan gyengécskék, mint amilyennek látszanak. Az általunk használt oldat - hosszas próbálgatás után - 20ml BIP mosogatószer, 20ml glicerin, 50ml víz keverékéből állt, illetve ezeket a mennyiségeket arányosan megnöveltük. Így meglehetősen stabil és nagy buborékok fújhatók szívószállal, tölcsérrel.

Szappanhártyát képeztünk egy pohár peremén. Ezután a pohárba mosószeres oldatot öntöttünk. A buborék egyre nagyobb lett, de nem pukkant el. Vajon miért nem? Egy lehetséges válasz, hogy a hártya is nedves, meg az oldat is. A víz nem haragszik a vízre.

Óriási buborékot szerettünk volna létrehozni.Egy műanyag játékot pl. krokót, katonát, autót, ágyút igen könnyű buborékba zárni. Elhelyeztük a játékot egy kistányérra, és köréje öntöttünk mosószeres oldatot. Befedtük egy nagy tölcsérrel, úgy, hogy a tölcsér pereme az oldatba érjen. Egy gumicsövön át  levegőt fújtunk a tölcsérbe, s közben a tölcsért lassan emeltük egyre feljebb. Ha a képződő buborék már elég nagy lett, lassan oldalt fordítottuk a tölcsért, és finom rázogatással leválasztottuk a buborékról. A játék ott maradt a buborékkalitkába záródva. Ily módon készültek a következő képeink:

 

      1. kép Katonák a buborékban                   2. Kép    Krokó  a buborékban

     

   3. kép  Herbie a buborékban                        4. Kép  Ágyú a kupola alatt

Ha egy tölcsér kifolyójára gumicsövet húztunk, akkor buborékot fújhattunk  vele a tölcsér száján. A buborékot aztán rátehettük egy megnedvesített peremű pohárra. Kezdetben a buborékok külön maradtak, majd hirtelen minden ok nélkül egyesültek. Ha viszont egy buborék tetejére egy másik megnedvesített peremű poharat teszünk, akkor a buborékunk két részre osztódott. Képeink ezekről készültek.

 

  5. kép Különálló buborékok várakozó állásban...  6. Kép Teljesen elkülönülő buborékok

 

 

  7. Kép Váratlan összeugrás...., majd..       8. Kép  Csőszerű összefonódás

 

 

 

9. kép : A buborékok formai" szabadsága" látszik a pólón is...

 

Fújtunk óriási buborékokat és többen egyszerre fújva a levegőben berezgettük. Csodálatos térbeli alakzatok alakultak így ki. A leeső buborékok alá drótkeretre feszített hártyát tettünk. Néha visszapattant róla.

Ha belemártottunk egy kocka alakú drótkeretet az oldatunkba,  rendkívül érdekes alakzatokat kaptunk. A nyolc trapézból és kis négyzetből álló felületeket vizsgáltuk. A kis négyzet oldalhossza a kocka élének ötöd- és harmadrésze közé esett. Megprópáltuk a középen lévő kis négyzetet felfújni. Ekkor érdekes formákat kaptunk. A buborék kigömbölyödött a kockából. Következő fotóink ezen próbálkozásainkat rögzítették:

 

  10. Kép A buborék kissé duzzad   11. Kép A kockában jól láthatók a  minimumfelületek

 

  12. Kép Megoldottuk  a gömb kockásítását?!   13. Kép Gömb a gömbben

 

Ha tölcsérrel egy félgömb alakú buborékot ültettünk egy pohárra, és oldalról megvilágítottuk, akkor a szinek örvénylését, kavargását figyelhettük meg. Egy hirtelen változással a buborék teteje eltűnik, mintha a fejét lecsapták volna.

Megpróbáltunk törvényszerűséget keresni a buborékok mérete, esési magassága és ideje között. Az esés idejét stoperrel mértük, azonban több nehézségbe is ütköztünk. A buborékokat egy bejelölt magasságból indítottuk, ami nem mindig sikerült kellő pontossággal. A buborék méretét úgy próbáltuk meghatározni, hogy egy négyzethálósan beosztott kartonlap előtt estek és oldalról megvilágítottuk. Sajnos ez nem igazán pontos mérés, inkább becslés. A mért adatainkat az alábbi táblázat tartalmazza.

   

h=160cm

 

h=160cm

 

h=182cm

 

h=144cm

 

h=122cm

 

d(cm)

t(s)

d(cm)

t(s)

d(cm)

t(s)

d(cm)

t(s)

d(cm)

t(s)

10

9

9,5

5

10

5,7

8

4,5

10

5,7

10

9

10

5,5

11

5,4

12

11

12

4,6

13

8

11

4,8

12

8,5

5

5,1

10

3,5

8

13

10

5,9

15

6,5

10

9

7

3

12

10

9

4,4

8

3,9

7

3,8

12

5,5

10

9

12

7,8

 

 

15

9,6

10

5

4

5

11

5,8

 

 

13

6,4

5

3

4

5

15

6,8

 

 

10

4,7

15

5,3

13

7

 

 

 

 

12

14

 

 

5

7

 

 

 

 

 

 

 

 

Átlagok:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8,9

8,2

10,9

5,8

11,2

6,0

10,2

7,6

10,1

4,5

 

Hogy valamiféle összefüggést találjunk, a mért átmérőket és időket átlagoltuk és számítógépes programmal (Origin) ábrázoltuk. A pontokra talán egy harmadfokú függvény illeszkedik a legjobban. 

Ha mosószeres oldatot öntünk tányérba, és az oldat felületére buborékot fújunk, majd megnedvesítetett szívószálat szúrunk a buborékba, a buborék összehúzódni igyekszik. Eközben a levegőt akkora sebességgel nyomja ki, hogy a levegőáram elfújja a gyertyát.

Kísérleteink során észrevettük, hogy a buborékok a szivárvány összes színében pompáznak (amint ez képeinken is látható). Azt is megfigyelhettük, hogy a szinek állandóan változnak. Ez azért van, mert a fény visszaverődik a buborék külső és belső felületéről egyaránt. Amikor a külső és belső felületről visszaverődött fények találkoznak egymással, hol erősítik hol pedig kioltják egymást, így a szinek állandó változását okozva. A buborék vastagsága szintén befolyásolja a színt, ami a víz párolgásával változik. A glicerin lelassítja a párolgást, ezáltal növeli a buborék élettartamát.

 

         

     14. kép erősítő és kioltó interferencia   15. Kép interferencia szappanhártyán

 

Két párhuzamos drótkarikából  álló szerkezetet mártottunk oldatunkba, az idomot kiemeltük a folyadékból, és a középen  keletkező lapot átszúrtuk, hogy csak a palást mentén maradjon hártya. Görbe felszín alakul ki a két drótkarika között, úgynevezett katenoid. Ilyen felszínt kapunk, ha egy láncgörbét forgatunk az x-tengely körül. Bebizonyítható, hogy ez a felszín kisebb, mint a hengerpalást felszíne. Bár egyenes alkotók helyett görbékkel rendelkezik, de  a felület a középsík felé közelebb húzódik a tengelyhez, és így adódik , hogy a görbült felület területe kisebb, mint a hengerpalásté. És mi van az erők egyensúlyával? Görbült hártyánál a felületi feszültségek eredője a homorú oldal felé irányuló nyomást hoz létre.

 

 Mi ellensúlyozza ki ezt a nyomást? Az az érdekes körülmény áll fenn, hogy mindkét oldalon egyenlő légnyomás mellett csak olyan görbült hártya létezhet, amelynek két egymásra merőleges metszete közül a felszín az egyikben domború, a másikban homorú. Ilyen furcsa alakzat ez a felület is. Oldalmetszetben vizsgálva a felszín kívülről nézve homorú. A felszín ugyanezen pontját felülről nézve azt látjuk, hogy ez a pont kör alakú felületmetszeten fekszik, és most belülről látszik homorúnak a felszín ugyanazon pontja. A kétirányú görbültségből származó nyomások ellentétesek, és kiegyenlítik egymást, mert a kétirányú görbültség abszolút értékben megegyezik. Így kialakul a a két drótkarika között a láncgörbe-forgásfelület, amely a legkisebb felszín, és egyszersmind eleget tesz az erőegyensúly feltételének is. Ha a középen eredetileg kialakuló körlapot nem távolítjuk el átszúrással, két, egymással szögben találkozó görbült felület jön létre.

 

                    16. kép A katenoid kialakulása

 

 

                       17. kép szappanhártya a drótkarikák között

 

Internetes kalandozásaink eredménye néhány érdekes és szép buborék fotó:

            18. kép Gyerek a buborékban           19. Kép Lufi is fújhat buborékot

             

 

                

20. kép dodekaéder minimálfelületei                21.kép kocka 

 

                  22. Kép Kavargó szinek

 

                  

                                        

  23-26. kép Buborékokban tükröződő csodálatos világunk

 

            

     27. Kép Ismét a szivárvány szinei                   28. Kép Buborékszkafander

 

 

29. Kép UFO ?

 

Felhasznált irodalom:

  1.)  Öveges József : Kísérletezzünk és gondolkozzunk 

  2.)  Dr. Poór István-Dr.Schuszter Ferenc : Gyöngyszemek a 100 éves KÖMAL         Fizikacikkeiből

  3.)  Colin Siddons : Fizikai Kísérletek  (Sulikomp)

  4.)  Juhász András : Fizikai Kísérletek Gyűjteménye

  5.)  Internet : Bubblemania