Парадокс мыльного пузыря

"Для физика должно существовать только то, что измерено" (Нильс Бор)... а сосчитать то, чего нет, может каждый. Но физика у нас сейчас именно математическая. Вот и давление воздуха внутри мыльного пузыря математики вычисляют, а не измерют. И это давление у них всегда существенно больше атмосферного по причине силы поверхностного натяжения, якобы образующей эластичную мыльную плёнку.

Вообще, сам факт существования мыльных пузырей и пузырей на поверхностях луж во время дождя для всех является наглядным доказательством существования этого самого "поверхностного натяжения жидкости". Поэтому каждый старшеклассник должен уметь вычислять давление воздуха в мыльных пузырях по  формулам из учебников (формула Лапласа). А ведь не вычислить, а измерить давление в мыльном пузыре можно проще простого. И это уже будет физика, а не математика.

Заглянем во внутрь не оторвавшегося от короткой трубочки или колечка пузыря...  и увидим, что давление воздуха внутри мыльного пузыря в точности равно атмосферному. В пустом и открытом сосуде давление воздуха всегда равно атмосферному,  поэтому давление внутри мыльного пузыря равно показаниям барометра-анероида, висящего на стене, а некоторое повышенное давление в пузыре бывает только во время его выдувания.  Но пузырь можно получить и без выдувания. Для этого достаточно положить колечко на поверхность мыльной воды и плавно его приподнимать. За колечком потянутся стенки пузыря. Пусть это будет мыльный цилиндр, а не сфера, но сути это не меняет, так как и тут, и там мыльная плёнка одинаково тонкая.

Если мы не объясним наш опыт с мыльными пузырями, то равенство давления  в пузыре и в окружающем его воздухе так и останется малоизвестным "Парадоксом мыльного пузыря". А если объясним?..

Сам Ван-дер-Ваальс считал, что смоченные водой плоские оконные стёкла слипаются по причине  межмолекулярного взаимодействия и открытой им силы поверхностного натяжения воды. Эта сила, дескать, и притягивает стёкла друг к другу.

"Физика - наука экспериментальная". А это означает, что за каждым нашим словом должен стоять уже известный опыт или новый эксперимент. Мы помещаем вандерваальсовы стекла в барокамеру и видим, как при понижении давления воздуха склеенные водой стёкла  распадаются. Какая сила была ответственна за "склеивание" плоских стёкол, смоченных водой или смазанных любым жидким маслом?

Конечно, этой силой может быть только атмосферное давление, которое на уровне моря давит на 1см2 любой поверхности силой веса массы в 1 кг. Именно столько весит столб атмосферы с основанием 1 см2. Роль любой жидкости тут сводится к вытеснению и замещению сжатого и упругого воздуха из микроскопических углублений на соприкасающихся поверхностях, казалось бы, совершенно гладких и плоских стёкол. Мы прижимаем смоченные стёкла друг к другу и тем самым с помощью воды вытесняем воздух из пространства между ними. В результате действие атмосферного давления становится обжимающим и прижимающим. Но в этой простоте ещё нужно разобраться.

Древний грек Демокрит в V веке до н. э. утверждал, что важнейшим свойством атомов является их способность к движению взаимного отталкивания, не допускающая их столкновения и разрушения. Воздух, по его мнению, состоит из атомов с очень хорошей способностью к такому движению, а вот жидкости и твёрдые вещества - из атомов со средней и плохой способностью к отталкиванию друг от друга. К этому мы можем добавить, что эта способность частиц зависит также и от температуры, чем и объясняются три агрегатных состояния любого вещества и расширение веществ при нагревании. Более того, способность атомов к отталкиванию находится в периодической зависимости от их атомных масс.

И что мы имеем в нашем примере со смоченными и прижатыми друг к другу стёклами? А уже буквально видим то, как частицы газа между стёклами заменились частицами с более плохой способностью отталкиваться и отталкивать. Вот почему атмосферное давление на каждое из двух стёкол стало асимметричным и прижимающим.

К каким людям не прилипают вилки, ложки и утюги? Правильный ответ: к людям с аномально сухой кожей предметы с гладкими повехностями не прилипают от слова  "совсем", потому что между их плоским лбами и гладкими повехностями всегда есть сдавленный и упругий воздух. Однако наши доктора наук пишут научные статьи о "биомагнетизме" в этих примерах, поэтому правильно ответить на такой простой вопрос они не могут... и о биомагнетизме - тоже. Вопрос профессору: что такое "биомагнетизм", если к слегка припудренному телу человека ничто не прилипает?

Почему фонтанчик воды, образовавшийся, например, при падении крупной капли дождя на поверхность воды, тут же распадается на идеальной формы шарики? (Это фиксируется с помощью быстрых видеокамер. См. фото.)  Тут мы имеем дело с обжимающим действием атмосферного давления, которое  давит на шарик жидкости совершенно одинаково со всех сторон. А вот на выступающую из шарика часть жидкости воздух давит сильнее по причине большого отношения площади поверхности к массе и давит асимметрично, поэтому буквально вдавливает её в объём шарика. Но это же давление может выступающую часть жидкости и "отщипнуть", сформировав отдельный шарик. Фонтанчик от капли дождя мгновенно распадается на шарики воды, и это говорит о большой силе, действующей на него в воздухе. Такой силой может быть только атмосферное давление.

Опыты с шариками воды удобно ставить в условиях невесомости на МКС, и космонавты любят этим заниматься на камеру. А в земных условиях можно было бы поиграть с шариками ртути, не будь её пары опасными для жизни. Но и тут, и там едва соприкоснувшиеся шарики тут же сливаются в один. Так работает атмосферное давление.

Наши космонавты совсем недавно установили: если воду из тюбика выдавливать прямо на ладонь, то она к ней прилипает и растекается по ладони, как и на Земле, а не превращается в шарики, плавающие в воздухе. И этой водой на ладони, оказывается, можно запросто умываться, растирая её по лицу (демонстрировал из космоса Сергей Крикалев).

Этому своему открытию космонавты радовались как дети. Правда, объяснить его они ещё не смогли, так как об обжимающем и асимметричном давлении воздуха в учебниках нет ни слова, как будто сдавленного и упругого воздуха не существует в природе. А между тем вода, растекающаяся по ладони или лбу космонавта в условиях невесомости, - это прекрасный пример асимметричного атмосферного давления, чем и обусловлено прижатие воды к поверхности.

Чем образованы стенки мыльного пузыря?  Они образованы прижимающим действием атмосферного давления, то есть прижатием частиц раствора друг к другу. Это действие на плёнку является сдавливающим и симметричным, поэтому оно плющит плёнку до минимальной толщины. Положите деревянную палочку на мыльную воду и плавно её поднимайте. За палочкой потянется мыльная плёнка. При этом симметричное атмосферное давление будет работать наподобии валов прокатного стана.

На каком расстоянии от поверхности воды находится её поверхностное натяжение, если вода при нормальных условиях испаряется со скоростью 8 слоёв частиц в секунду? Этот наш вопрос  может обидеть профессора, так как сам факт испарения воды противоречит теории её поверхностного натяжения и, по сути, является ещё одним (101-м, наверное) парадоксом воды. Но это же смешно!  Однако "Для математика главное - это умение пренебрегать" (Лев Ландау)... здравым смыслом, логикой и фактами.

Думается, проще выбросить из головы поверхностное натяжение воды, чем её круговорот в природе. Возможно, кому-то в этом поможет личное наблюдение за самым маленьким пузырьком газа, поднимающимся из глубины аквариума и  выходящим на поверхность воды, не встретив ни поверхностного натяжения, ни его сопротивления.

Итак, где находится поверхностное натяжение жидкостей? Правильный ответ: только в теориях и в головах учёных оно и существует. А что стало причиной живучести этого заблуждения?.. Думается, на первом месте тут слепая вера в непогрешимость науки и в величие её авторитетов. И снова прав был Эйнштейн: "Теория - это когда всё известно, но ничего не работает... и никто не знает почему".

Будем считать, что "Парадокс мыльного пузыря" на начальном уровне мы уже разрешили. Сейчас сразу перейдём на высший и увидим, как далеки наши учёные от понимания природы.

Физика - это наука понимать или видеть причинности интересующих её явлений, а не наука знать, как этот мир выглядит в цифрах. Однако "Из дома реальности легко забрести в лес математики, но лишь немногие способны вернуться обратно" (Хуго Штейнхаус)... и назвать математику идеалистической и лингвистической наукой. К примеру, Эйнштейн на склоне лет пришёл к такому выводу: "Законы математики, имеющие какое-либо отношение к реальному миру, ненадежны; а надёжные математические законы не имеют отношения к реальному миру". А математики Гиббс и Расселл так прямо и сказали: "Математика - это такая лингвистическая наука, в которой мы никогда не знаем, о чем говорим, и истинно ли то, о чем мы говорим".

Продолжение следует в теме "Парадоксы самоорганизованной плазмы". Тем, кто хотел бы что-то уже возразить, можно посоветовать посмотреть видео с гигантскими мыльными пузырями. Бывают такие мыльные пузыри, в которые не только можно засунуть голову или манометр, но и залесть по лестнице-стремянке самому. А длина самого длинного мыльного пузыря в мире больше 30 метров. Впрочем, это, скорее, не пузырь, а расправленный в горизонтальном положении и открытый мешок.

И ещё. Если пустую герметичную канистру выставить на мороз, то атмосферное давление её деформирует. Это происходит по причине возникшей разницы давлений воздуха внутри канистры и снаружи (тёплый воздух внутри канистры охлаждается, поэтому давление внутри неё падает). А мыльный пузырь, оказывается, при некотором умении можно заморозить. И  он сохраняет и форму, и объём. Это возможно только при одном условии - если мыльная пленка свободно пропускает воздух, то есть является пористой мембраной. Так что повышенного давления внутри надутого мыльного пузыря не может быть в принципе. К тому же, мы знаем, что между атмосферой и "атмосферой воды" в естественных водоёмах существует свободный газообмен, благодаря чему в водоёмах живут и дышат рыбы. За время падения капли воды даже с небольшой высоты воздух внутри неё может полностью обновиться. Рыбоводы это знают и используют аэрацию воды, особенно при выращивании большого количества рыбы в в небольших бассейнах. Мыльная плёнка тоже пропускает воздух, то есть она "дырявая". А профессору - вопрос: почему мыльные пузыри, надутый гелием или водородом, не улетают в небо, как резиновые шарики? Ответ: потому что в них нет ни гелия, ни водорода: их место ещё в процессе выдувания занял обычный воздух, свободно проникающий в пузырь.

Пористой мыльная плёнка пузыря может быть тоже только при одном условии - если сама вода будет состоять не из молекул H-O-H с водородными связями между ними, а из гораздо более крупных форм, похожих на шарики. Красивейшая дисперсия (разложение) света на поверхности мыльного пузыря как раз и есть наглядное доказательство справедливости такого представления о структуре воды и мыльного раствора. Дисперсия возникает при отражении света от мельчайших и одинаковых по размерам неровностей на освещенной и, казалось бы, совершенно гладкой поверхности.

И последний на сегодня вопрос: почему помазанные моторный маслом или тормозной жидкостью плоские стёкла при их прижатии друг к другу слипаются значительно сильнее, чем смоченные водой? Наш ответ профессору: в маслах и в других технических жидкостях нет сдавленного и упругого воздуха. Профессор же знает другое: поверхностное натяжение жидкости в маслах сильнее... Но мы включили кругозор и логику и, отталкиваясь всего лишь от одного нового факта (давление воздуха внутри пузыря равно атмосферному), смогли прийти к новой научной истине. Вернее, мы ещё в самом начале верного пути к ней. А для теоретиков "Если факт противоречит моей теории, тем хуже для факта" (Гегель) ... и для того, кто мне на этот факт указывает; "Говорите, что эксперимент не соответствует теории?.. Тем хуже для эксперимента" (Эйнштейн). "Опровержимость теории есть ещё одно доказательство её справедливости". Не смейтесь, так говорят академики.

Парадокс мыльного пузыря - это далеко не самый большой парадокс. "Самым большим парадоксом является то, что этот мир всё же познаваемый". (с) И суть этого парадокса в том, что "..глаза учёных закрыты для света новых истин" (Галилей). Теоретики парадоксов не решают, а отмахиваются от них как от назойливых мух. Это же только древние греки считали парадоксы подсказками богов, а каждый новый факт - уликой реального мира.

"Дай, где стать. И я поверну Землю". Чем Архимед мог "повернуть Землю"?.. Только не говорите, что посредством длинного-предлинного бревна. Он говорил о том, что может перевернуть представления людей о мире (Земля у древних греков - это весь мир), отталкиваясь всего лишь от одного нового факта, и перевернуть посредством элементарной и непротиворечивой (безупречной) логики. "Дай, где стать. И я поверну Землю" - это его формула эвристического и эмпирического ("эврика" - неожиданная находка, прозрение; " эмпирия" - опыт) познания реального мира, через неожиданное наблюдение и эксклюзивный эксперимент. Правда, к концу жизни Архимед из физика и механика стал математиком и принялся искать в геометрическом мире самые общие математические закономерности. На его могиле якобы  был установлен памятник в виде шара, вписанного в цилиндр.


P. S.  Для кого-то мыльный пузырь лопает с хлопком - чуть ли не как резиновый шарик. Однако физики из Университета Сорбонны поставили сложный эксперимент по записи звука этого "хлопка" с помощью высокочувствительных микрофонов и услышали  звук "пфттт", а не короткое и тихое "пук". Высокоскоростная видеокамера помогла им сделать вывод о том, что этот тихий звук возникает в момент очень быстрого стягивания мыльной плёнки  в капельки и капли раствора.  При этом вещество плёнки не разлетается радиально от центра пузыря, как осколки гранаты, а словно стремится во внутрь пузыря. Если пузырь лопнет, коснувшись горизонтальной поверхности, то вокруг точки касания образуется небольшое колечко из капелек раствора. В нём, можно сказать, всё жидкое вещество пузыря. И тут всё просто: в месте разрыва оболочки атмосферное давление на кромки оболочки становится асимметричным. Оно и является причиной "стягивания" оболочки в капельки и капли.

Опустите кончик трубочки для напитков в мыльную воду и подуйте в неё. На поверхности воды появятся пузыри, плотно прилегающие друг к другу. Присмотритесь к ним. Думается, вас уже не идивят прямоугольные стенки между пузырями, так как они возможны только при одном условии - если давление воздуха во всех пузырях всегда одинаковое и всегда равно атмосферному. Это и есть "Закон мыльных пузырей", о котором мы сегодня говорили. В следующий раз, как и обещалось, поговорим о мгновенной самоорганизации высокотемпературной плазмы. Надеюсь, будет весело.