Zbuduj najlepszą różdżkę do wielkich baniek

Kluczowe pojęcia
Chemia
Napięcie powierzchniowe
Cząsteczki wody

Wprowadzenie
Czy kiedykolwiek próbowałeś zdmuchnąć bańkę i bez względu na to, jak bardzo się starasz – ta bańka po prostu nie chce się utworzyć? Dlaczego tak się dzieje? Dlaczego bańki w ogóle się tworzą? I dlaczego czasami trudniej jest je zdmuchnąć? W tym ćwiczeniu zbadamy, jak tworzą się bańki i sprawdzimy, jak duże mogą być nasze bańki!

Tło
Jak być może wiesz, bańki opierają się na napięciu powierzchniowym, aby trzymać się razem. Cząsteczki wody lubią się do siebie przyczepiać i tak jak magnesy przyczepiają się do innych magnesów, do których są przyciągane, tak cząsteczki wody przyczepiają się do siebie i tworzą wiązania wodorowe, tworząc napięcie powierzchniowe. To napięcie powierzchniowe pozwala powierzchni wody działać jak elastyczna membrana, rozciągając się i utrzymując kształt. Jeśli upuścisz niewielką ilość wody na kawałek papieru woskowego, możesz zobaczyć świetny przykład napięcia powierzchniowego w akcji. Zamiast rozpryskiwać się lub spłaszczać, woda będzie tworzyć małe, kuliste kropelki na papierze. Te kropelki wody mogą zachować swój kształt, ponieważ cząsteczki wody są bardziej przyciągane do siebie nawzajem niż do papieru woskowego. Siła tego przyciągania pomaga utrzymać kropelki wody razem.

Napięcie powierzchniowe wody jest w rzeczywistości tak silne, że uniemożliwia nam dmuchanie baniek z samej wody. Dodanie mydła lub detergentu obniża napięcie powierzchniowe wody, umożliwiając tworzenie się baniek. Dzieje się tak poprzez tworzenie przestrzeni pomiędzy cząsteczkami wody, zmniejszając siłę ich przyciągania do siebie. Jeśli ponownie pomyślisz o magnesach, to kiedy dwa magnesy są bardzo blisko siebie, przyciąganie między nimi jest znacznie silniejsze niż kiedy powoli je rozsuwasz. Decreasing the strength of the attraction between water molecules lowers the surface tension of the bubble solution, allowing bubbles to form!

Materials

• Two dowel rods (At least half an inch diameter works best.)
• Two screw eyes (a closed loop with a threaded base)
• Yarn or baker’s twine (at least 18 feet)
• Two washers
• Bubble solution (Optional make-your-own bubble solution ingredients are listed below.)
• A large bucket to hold bubble solution
• Outdoor area with space to run!
• An adult helper
• A measuring tape
• Scissors

Bubble Solution (Makes approximately one-half gallon.)

• Eight cups of Water
• One-half cup liquid dish soap (Blue Dawn works well.)
• One tablespoon glycerin
• One tablespoon baking powder

Preparation

• This activity could get a little messy. Od tego momentu wszystko powinno być wykonywane na zewnątrz!

• Wlej roztwór do baniek do wiaderka. Jeśli robisz swój własny roztwór do baniek, połącz wszystkie składniki w wiadrze i delikatnie wymieszaj do połączenia. (Postaraj się uniknąć tworzenia gęstej piany na powierzchni roztworu.)
• Poproś dorosłego pomocnika, aby pomógł ci przymocować ucho śruby do jednego końca każdego pręta.

Procedura

• Odetnij 3 stopy sznurka i przewlecz go przez jedną podkładkę i każde ucho śruby, tworząc pętlę. Zwiąż koniec sznurka razem (węzeł może być w dowolnym miejscu). To jest twoja różdżka do baniek!
• Ustaw wiaderko z roztworem do baniek na otwartej przestrzeni. Umieść taśmę mierniczą na ziemi, zaczynając od wiadra i rozciągając się na co najmniej 10 stóp w kierunku, w którym wieje wiatr.
• Utrzymaj pręty na końcach bez oczek śrubowych. Delikatnie dotknij dwóch śrubowych oczek razem i całkowicie zanurz przędzę w roztworze bąbelków.
• Delikatnie podnieś różdżkę z roztworu bąbelków. Rozdziel końce prętów, aby otworzyć pętlę z przędzy.
• Przytrzymaj różdżkę z dala od ciała i powoli przejdź wzdłuż taśmy mierniczej, zgodnie z kierunkiem wiatru. Jak myślisz, jak dużą bańkę uda Ci się stworzyć?
• Poproś swojego dorosłego pomocnika, aby zmierzył długość bańki, którą stworzysz! Spróbuj co najmniej pięć razy i zapamiętaj najdłuższą.
• Odetnij sznurek i usuń go z różdżki. Zachowaj podkładkę!
• Odetnij 6 stóp sznurka i przewlecz go przez jedną podkładkę i każde oczko śruby, tworząc pętlę. Zwiąż koniec sznurka razem (węzeł może być w dowolnym miejscu).
• Powtórz powyższe kroki tworzenia baniek, używając większej różdżki. Zmierz najdłuższą bańkę, jaką możesz stworzyć za pomocą sześciostopowego sznurka. Jak myślisz, czy te bańki będą łatwiejsze czy trudniejsze do stworzenia?
• Odetnij sznurek i usuń go z różdżki. Zachowaj podkładkę!
• Odetnij dziewięć stóp sznurka i przewlecz go przez dwie podkładki i każde ucho śruby, tworząc pętlę. Zwiąż koniec sznurka razem. (Węzeł może być w dowolnym miejscu.)
• Poproś dorosłego pomocnika, aby asystował ci podczas powtarzania czynności robienia baniek, trzymając różdżkę. Zmierz najdłuższą bańkę, jaką możesz stworzyć za pomocą dziewięciostopowego sznurka. Czy uważasz, że uda ci się zrobić bańki za pomocą dziewięciostopowej różdżki? Czy uważasz, że mogą być dużo większe?
• Dodatkowe: Przetestuj roztwór do robienia baniek. Spróbuj usunąć glicerynę lub proszek do pieczenia. Jak te składniki wpływają na bańki, które tworzysz?
• Extra: Pozostaw roztwór do robienia baniek na noc, a następnie ponów próbę. Sprawdź, czy uzyskasz większe bańki!

Obserwacje i wyniki
W tym ćwiczeniu stworzyłeś jedne z największych możliwych baniek, mając tylko trochę sznurka i trochę cierpliwości! Mogłeś zauważyć, że łatwiej było tworzyć długie bańki za pomocą krótszego sznurka. W miarę jak sznurek stawał się coraz dłuższy (zwłaszcza przy dziewięciu stopach), tworzenie baniek mogło być trudniejsze.

Wiemy, że bańki mogą zachować swój kształt w wyniku napięcia powierzchniowego. W rzeczywistości mieszanina roztworu do baniek, która tworzy powierzchnię bańki, składa się z trzech bardzo cienkich warstw: mydła, wody i kolejnej warstwy mydła. Jest to tzw. film mydlany. Napięcie powierzchniowe warstwy wody jest tym, co utrzymuje bańkę razem. Dlatego też, gdy woda pomiędzy warstwami mydła wyparuje, bańka pęka. Aby zrobić większe i mocniejsze bańki, musimy zagęścić ścianki mydła, aby zapobiec wyparowywaniu wody. Aby to zrobić, dodaliśmy glicerynę, która pomoże zagęścić ścianki mydła i utrzymać bańkę razem! Dzięki temu bańki są mocniejsze, większe i dłużej się utrzymują.

W pewnym momencie jednak bańki stają się zbyt duże, aby utrzymać się razem. Większe bańki mają większą powierzchnię, co oznacza więcej miejsc, w których siły zewnętrzne, takie jak ciśnienie powietrza i grawitacja, mogą oddziaływać. Ponadto, większe bańki mają swój własny ciężar do utrzymania. Wyobraź sobie, że budujesz tunel z klocków LEGO. Możesz zrobić bardzo długi tunel o mniejszej średnicy. Jeśli jednak spróbujesz zbudować tunel, przez który mógłby przejść dorosły człowiek, będzie on miał większe problemy z utrzymaniem własnego ciężaru. Jest to podobne do tego, czego doświadczyłeś z dziewięciostopową różdżką sznurkową. Ciało bańki było znacznie większe, a przez to bardziej kruche.

Cleanup
Wlej mieszaninę mydła do odpływu.

Więcej do odkrycia
Bubble-ology, by Science Buddies
Blow the Biggest Bubbles, z Scientific American
The Chemistry of Clean: Make Your Own Soap to Study Soap Synthesis, z Science Buddies
Blow the Best Bubbles, z Scientific American
Science Activities for All Ages!, z Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies