Фантастическое шоу: удивительные мыльные пузыри Мелоди Янг

Семье Мелоди принадлежит девятнадцать рекордов, официально зарегистрированных комитетом Guinness World Records: самый большой мыльный пузырь (больше 51 м в длину), самая большая группа людей (181 человек) внутри мыльного пузыря и т. п. Большую часть номинаций семья Янг придумала сама; часть рекордов они же периодически устанавливают заново.

В прессе Мелоди Янг называют «профессором мыльных пузырей» и присваивают другие научные степени, но образование у нее только сценическое, в том числе знаменитая школа актерского мастерства Ли Страсберга. Ее работа в большей степени дело навыка, отточенного за двадцать с лишним лет выступлений и репетиций. Теория на втором месте – впрочем, о том, что происходит с пузырем в воздухе, Мелоди, конечно, знает.

Без земного притяжения на поверхности жидкостей за счет эффекта поверхностного натяжения формируются пленки, которые, отрываясь от стенок сосуда, принимают форму сферы. Мыльный пузырь – это тонкая пленка мыльной воды, в воздухе стремящаяся, в отсутствие ограничений, к форме сферы. На МКС можно надуть пузырь и из чистой воды, но на Земле пленка воды рвется под собственной тяжестью, поэтому для стабилизации в раствор добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Молекулы воды (или мыльного раствора) на границе раздела сред находятся в особом положении. Точно такие же молекулы, но в толще жидкости, притягиваются друг к другу с одинаковой силой во всех направлениях. А вот молекулы поверхностного слоя притягиваются только к тем молекулам, которые расположены под ними, поэтому равнодействующая сил притяжения направлена вниз.Компенсируя действие этой силы, молекулы поверхностного слоя подходят друг к другу ближе остальных – так близко, что между ними начинают действовать силы взаимного отталкивания. Потенциальная энергия молекул поверхностного слоя оказывается больше, чем у тех, что в глубине; стремясь минимизировать число таких «энергичных молекул», объем жидкости принимает форму с минимальной площадью поверхности. Для трехмерного объема воды форма с минимальной площадью – это шар (капля), а если наша жидкость изначально была пленкой между краями рамки, она принимает форму полой сферы.

Поверхностно-активные вещества стабилизируют пленку за счет переноса вещества по градиенту поверхностного натяжения. Это явление известно под названием эффекта Марангони. Мыльная пленка имеет структуру бутерброда: в центре у нее слой воды, окруженный с двух сторон слоем молекул ПАВ, гидрофильными концами обращенных в воду, а гидрофобными – наружу. Мыльные слои постоянно дрейфуют по поверхности воды, и концентрация мыла в разных частях пузыря меняется. Смена концентрации влияет на силу поверхностного натяжения: чем тоньше пленка (то есть чем меньше в ней мыла), тем сильнее стягиваются стенки пузыря, привлекая в место стягивания больше молекул ПАВ. Это и есть эффект Марангони, и ему мыльные пузыри обязаны сколько-нибудь продолжительным существованием: когда пузырь готов истончиться и порваться, к тонкому месту устремляется мыльный раствор.

Эффект Марангони стабилизирует мыльные пузыри – но не навсегда, в конце концов они все равно лопаются, даже если никто не протыкает пленку пальцем. Причина – испарение воды с поверхности пузыря. Поэтому первое правило составителя правильного раствора для выдувания долговечных пузырей – добавить что-нибудь, что остановит испарение. Обычно это глицерин – то же вещество, которое добавляют в крем для кожи, чтобы предотвратить ее высыхание на воздухе.

Чистая (лучше дистиллированная) вода, самое обычное жидкое мыло без отдушек, глицерин – вот рецепт основы для прочных пузырей. Соотношение придется искать опытным путем: это та часть фокуса, которую фокусник раскрыть не может. Мелоди пользуется запатентованным секретным составом, который известен только ее отцу. Коллеги Янг рекомендуют просто купить готовый раствор в интернет-магазине. Впрочем, Янг намекает, что неплохо работает сахар – возможно, за счет легкого увеличения вязкости.

Вопреки распространенному мнению, мыло не увеличивает поверхностное натяжение раствора, а, наоборот, уменьшает почти до трети поверхностного натяжения чистой воды. Гидрофобные «хвосты» ПАВ стремятся оказаться в воздухе, а гидрофильные – в воде, в результате мыло попадает на границу раздела сред, и его молекулы встраиваются между молекулами воды поверхностного слоя, ослабляя их взаимное притяжение. Его роль в формировании пузыря заключается в другом: ПАВ стабилизируют пузырь за счет эффекта Марангони.

Стремление мыльной пленки занять минимальную площадь делает мыльные пузыри интересным объектом исследования для математиков, физиков и инженеров: с помощью пузырей решают задачи о кратчайших путях между многими точками, сложные проблемы топологии, газо- и гидродинамики. До появления компьютерных моделей пузырями пользовались архитекторы для моделирования конструкций крыш, лестниц и арок. Особой любовью к мыльным моделям славился немецкий архитектор Фрай Отто: с помощью мыльной пленки он, в частности, рассчитал геометрию крыши олимпийского стадиона в Мюнхене.

До Отто надуванием пузырей развлекались Ньютон и Фарадей: один исследовал оптические свойства мыльной пленки, которая не хуже призмы разлагает белый свет, второй изучал магнитные свойства газов. Физик надувал пузыри кислородом, хлористым аммонием, азотом и другими газами и помещал радужные сферы между полюсами магнитов. Опыты Фарадея, как отмечали биографы, были крайне деликатны и трудновоспроизводимы. С этими утверждениями соглашается и Мелоди Янг. Она отмечает, что, в отличие от других сценических трюков, работа с пузырями требует в большей степени навыков, чем знаний: нельзя просто объяснить человеку, как надуть кубический пузырь, нужно попробовать сделать это сотню раз – и даже после этого получаться будет не всегда.

Для тех, у кого запас терпения столь же велик, как стремление надуть правильный мыльный куб, Мелоди все-таки дает инструкцию. Главное – усвоить, что, хотя отдельные пузыри имеют сферические стенки, стенка соединения двух пузырей представляет собой участок плоскости. Кластер из шести пузырей примерно одинакового размера образует сложную фигуру, в центре которой получается шестигранный куб, ограниченный плоскими мыльными пленками. Чтобы его стало лучше видно, возьмите смоченную в мыльном растворе трубку и через нее наполните кубик непрозрачным газом – лучше, конечно, не табачным дымом, а специальным сценическим.