肥皂泡

肥皂泡是一層薄薄的肥皂水膜，它會困住一些空氣或其他氣體，形成一個空心球體，通常呈虹彩和虹彩。 皂皮是一種扁平或彎曲的薄膜，是一層肥皂水膜，例如在實心環中拉伸。 皂泡由數個肥皂泡泡組成。肥皂泡泡可以有意識地創造，例如通過將空氣吹入在環上拉伸的肥皂膜中。

肥皂泡顯示彈性體振動，有時在重力作用下釋放水滴，被氣流容忍或攜帶，越來越干燥（如果周圍空氣不飽和）并且隨著時間的推移變得對空氣壓力更加敏感爆炸或與其他物體的（干燥）表面接觸。肥皂泡泡經常在短時間后爆裂，有時是自發的。

讓肥皂泡泡在空氣中長期保持活力，達到特殊的圖形或尺寸是藝術手工的主題。肥皂泡泡是物理、化學和幾何學的研究對象，是極小曲面的清晰模型。

肥皂泡泡可以手工吹制或機器制造。 它們被用作舞臺效果和兒童游戲，但也被成人用作迷人和愉快的消遣或作為一種身體有趣的現象。

正因為這種輕微的轉瞬即逝，“肥皂泡”就成了比喻有吸引力卻又沒有實質的東西。

肥皂泡泡以物理方式解決復雜的數學空間問題，因為在平衡狀態下，它們形成點和邊之間的最小表面。

肥皂泡由一層薄薄的水組成，兩親性肥皂分子在其內部和外部附著，極性親水性羧酸鹽基團面向水，非極性疏水性烷基基團背向水。

脂質體與肥皂泡有相似的結構：它們也是球形的，它們的殼也由兩親性分子組成，但這里分子的親水部分指向外。 生物膜也是一樣，水在外面，而不是像肥皂泡泡那樣在殼里。 脂質體和生物膜均由雙層脂質組成。

當一層薄薄的水與肥皂分子混合時，就會形成肥皂泡泡。 膨脹時形成球形。 由于位于肥皂膜表面之間的液體的重力泄漏（排水），肥皂泡泡在其上部逐漸變薄。 這可以通過在杯子的開口上畫一層肥皂膜然后垂直握住來觀察。

此外，在流出過程中，肥皂泡下部區域有皂膜穩定表面活性劑分子的積累，使得上部區域由于表面吸附的表面活性劑分子相對不足而額外不穩定。事實上，大部分肥皂泡沸騰都在上部爆裂。 可以通過將肥皂泡泡或肥皂膜“鎖定”在玻璃瓶中來防止蒸發。 這顯著延長了肥皂泡泡的壽命。

肥皂泡的層厚可以觀察：如果表面反射有色干涉色，層厚與光的波長相當。 隨著層厚度的減少，皂膜最初變成無色，最后變成黑色。

在失重狀態下，肥皂泡泡的存活時間是地球上的兩倍，約為一分鐘。肥皂泡壁更厚、更均勻，可以經受住針刺。

肥皂泡泡的產生是可能的，因為液體的表面 - 在這種情況下是水 - 具有導致表面彈性行為的表面張力。 人們通常認為肥皂是增加水的表面張力所必需的。 然而，事實恰恰相反：肥皂水的表面張力只有水的三分之一左右。 用純水做肥泡泡之所以難，是因為表面張力太高，導致泡泡立馬爆裂。 此外，肥皂會減慢蒸發速度，因此氣泡會持續更長時間。

表面張力也是肥皂泡泡呈球形的原因。 通過最小化表面力由于給定體積的所有可能形狀，氣泡變成這種形狀，球體具有最小的表面積。 沒有外力（特別是重力和空氣摩擦力），所有的氣泡都會有一個理想的球形。 由于它們的自重很低，肥皂泡泡在現實中非常接近這個理想。

當兩個肥皂氣泡相遇時，同樣的原理仍然適用，氣泡呈現出表面積最小的形狀。它們的共同壁向較大的氣泡膨脹，因為較小的肥皂泡具有較高的內部壓力。 當兩個肥皂泡大小相同時，沒有凸起，隔板是平的。

Plateau 的規則規定，當多個肥皂泡泡相遇時，所有角度都相等。 在有很多氣泡的泡沫中，三個表面總是以 120° 的角度相交。 這里的表面也很小。 相同的表面張力會產生力的平衡。 四個邊緣每條在一個節點（也稱為頂點）中以大約 109° 28' 16'' 的角度相交。 這些規則是在 19 世紀由比利時物理學家約瑟夫普拉圖根據實驗研究建立的。

波光粼粼的顏色是由薄肥皂膜上的光波干涉產生的。 干涉導致在一定視角內消除了部分色譜。 其余部分以顏色感知，因為只有完整的色譜才會產生白光。

由于肥皂泡的墻壁有一定的厚度，入射光被反射兩次 - 一次在墻壁的每一側。兩次光線的路徑長度略有不同導致它們之間的路徑差異。 如果路徑差恰好是半個波長，則一條光線的波谷與另一條光線的波峰重合。 總數為零，即相應顏色的消光。 這稱為相消干涉，與相長干涉相反，在相長干涉中，兩個光束由于不同的路徑差而正疊加。

皂泡的實際顏色（即淬光的波長，或延遲的長度）取決于皂膜的厚度和表面的照射角度。 當肥皂泡泡通過蒸發變薄時，可以觀察到對層厚度的依賴性。 隨著厚度減小，其他顏色被擦除。

最后，當壁的厚度小于可見光最小波長的一半時，可見光波不會相互抵消，也無法再觀察到互補色。 在這種狀態下，肥皂泡沸騰棒比一毫米的十分之二還細。 使用更小的層厚度，由于其他影響，人們可以觀察到黑點 - 它們可能會在下一瞬間爆裂。

干涉現象的條件，即波列的相干性，由于層的薄而得到滿足。 除了不同的幾何路徑長度外，另一個影響也會導致路徑差異：

直接在空氣肥皂皮膚界面（第二張圖片中的 X 點）反射的波在即使在肥皂膜和空氣之間的界面（圖中的 O 點）反射后，透射波的相位也保持不變。 這里沒有相移。 總路徑差由不同的路徑長度和外界面反射期間的相移組成。

這也解釋了氣泡在爆裂前瞬間顏色變深的原因，此時肥皂膜的厚度已降至非常小的值：這是由于透射波，之前通過肥皂的路徑較長薄膜，現在幾乎沒有比直接反射波傳播更長的距離，因此不會改變其相對于它的相位。 然而，反射波經歷了上述相位跳躍，導致所有波相消干涉（抵消）。

如果一個肥皂泡的壁厚處處相同，路徑差異將僅由照明角度定義，并且會顯示均勻的顏色漸變。 但是，由于被氣流移動的肥皂泡中的液膜因空氣摩擦而產生渦流，因此壁厚并不均勻。 在有利條件下，這些湍流可以用肉眼看到。