alla älskar bubblor, oavsett ålder—ju större desto bättre. Men för att blåsa riktigt stora bubblor i världsrekord kräver en mycket exakt bubbelblandning. Fysiker har bestämt att en nyckelingrediens blandar i polymerer med varierande stränglängder, enligt ett nytt papper i fysiska Granskningsvätskor. Det ger en tvålfilm som kan sträcka sig tillräckligt tunn för att göra en jätte bubbla utan att bryta.

bubblor kan verka frivolösa, men det finns en komplex underliggande fysik, och därför har deras studie länge varit allvarlig vetenskap. På 1800-talet skisserade den belgiska fysikern Joseph Plateau fyra grundläggande lagar om ytspänning som bestämmer strukturen hos tvålfilmer. Ytspänning är varför bubblor är runda; den formen har minst ytarea för en given volym, så det kräver minst energi för att upprätthålla. Med tiden kommer den formen att se mer ut som en fotboll än en perfekt sfär, eftersom tyngdkraften drar vätskan nedåt (”grovbildning”).

bubblor och skum förblir ett aktivt forskningsområde. Till exempel utarbetade franska fysiker 2016 en teoretisk modell för den exakta mekanismen för hur tvålbubblor bildas när luftstrålar träffar en tvålfilm. De fann att bubblor endast bildades över en viss hastighet, vilket i sin tur beror på luftstrålens bredd. Om strålen är bred kommer det att finnas en lägre tröskel för att bilda bubblor, och dessa bubblor kommer att vara större än de som produceras av smalare strålar, som har högre hastighetströsklar. Det är vad som händer, fysikmässigt, när vi blåser bubblor genom en liten plaststav: strålen bildas vid våra läppar och är bredare än tvålfilmen suspenderad i staven.

i 2018 rapporterade vi om hur matematiker vid New York Universitys Applied Math Lab hade finjusterat metoden för att blåsa den perfekta bubblan ytterligare baserat på liknande experiment med tvåltunna filmer. De drog slutsatsen att det är bäst att använda en cirkulär trollstav med en 1,5-tums omkrets och försiktigt blåsa med en konsekvent 6,9 cm/s. Blås vid högre hastigheter och bubblan kommer att brista. Använd en mindre eller större trollstav, och samma sak kommer att hända.

men hur är det med att blåsa gigantiska bubblor eller långa, tunna tvålfilmer som kan sträcka sig över två historier? Justin Burton, medförfattare till det senaste papperet och en fysiker vid Emory University som specialiserat sig på vätskedynamik, blev först fascinerad av ämnet vid en konferens i Barcelona. Han såg gatuartister producera jätte bubblor om diametern på en hula hoop och så länge som en bil.

Han var särskilt fascinerad av den skiftande regnbågen av färger på bubblans yta. Denna effekt beror på interferensmönster som skapas när ljuset reflekterar av filmens två ytor. För Burton var detta också en indikation på att tvålens tjocklek var bara några mikron, ungefär ekvivalent med ljusets våglängd. Han blev förvånad över att en tvålfilm kunde förbli intakt när den sträckte sig så tunn i en jättebubbla och började göra sina egna experiment, både i labbet och sin egen bakgård.

medan han läste open access Soap Bubble Wiki, märkte han att de flesta av de favoriserade recepten för bubbellösning inkluderade en polymer—vanligtvis naturlig guar (en vanlig förtjockande livsmedelstillsats) eller ett medicinskt smörjmedel (polyetylenglykol).

använda dessa recept som en guide, ”Vi började i princip göra bubblor och poppa dem och registrerade hastigheten och dynamiken i den processen”, säger Burton. ”Att fokusera på en vätska vid sina mest våldsamma ögonblick kan berätta mycket om dess underliggande fysik.”

det slutliga målet var att bestämma de perfekta proportionerna för en bubbelblandning för att producera gigantiska bubblor: något med lite stretch, men inte för mycket, där vätskan flyter lite, men inte för mycket—med andra ord Goldilocks av bubbelblandningar.

som Lissie Connors skriver på Physics Buzz:

för deras experiment skapade forskarna olika blandningar av vatten, tvål och långkedjiga polymerer för att göra sina bubblor. Tyvärr blåser en 100 m3 bubbla är en dålig användning av labbutrymme, och ganska svårt att mäta exakt, så tvålfilmerna skapades med en bomullsträng och tjockleken mättes med infrarött ljus. Förutom att mäta tjockleken spårade de också livslängden för varje film.

Burton och hans team drog slutsatsen att det var de polymera strängarna som var nyckeln till att producera jättebubblor, vilket bekräftade den kollektiva online-visdomen. ”Polymersträngarna blir intrasslade, något som en hårboll, som bildar längre strängar som inte vill bryta isär,” sa Burton. ”I rätt kombination tillåter en polymer en tvålfilm att nå en ”sweet spot” som är viskös men också stretchig—bara inte så stretchig att den sliter isär.”

teamet fann också att varierande längden på polymersträngarna resulterade i en starkare tvålfilm. ”Polymerer av olika storlekar blir ännu mer intrasslade än enstaka polymerer, vilket stärker filmens elasticitet”, säger Burton. ”Det är en grundläggande fysikupptäckt.”

Du hittar Burtons jättebubbelrecept i sidofältet. Men var varnad: det finns några faktorer som inte kan kontrolleras i en verklig miljö (i motsats till Burtons laboratoriemiljö), som fuktighetsnivåer.

DOI: fysiska Granskningsvätskor, 2020. 10.1103 / Physrevfluider.5.013304 (Om DOIs).