肥皂泡

肥皂泡是一层薄薄的肥皂水膜，它会困住一些空气或其他气体，形成一个空心球体，通常呈虹彩和虹彩。 皂皮是一种扁平或弯曲的薄膜，是一层肥皂水膜，例如在实心环中拉伸。 皂泡由数个肥皂泡泡组成。肥皂泡泡可以有意识地创造，例如通过将空气吹入在环上拉伸的肥皂膜中。

肥皂泡显示弹性体振动，有时在重力作用下释放水滴，被气流容忍或携带，越来越干燥（如果周围空气不饱和）并且随着时间的推移变得对空气压力更加敏感爆炸或与其他物体的（干燥）表面接触。肥皂泡泡经常在短时间后爆裂，有时是自发的。

让肥皂泡泡在空气中长期保持活力，达到特殊的图形或尺寸是艺术手工的主题。肥皂泡泡是物理、化学和几何学的研究对象，是极小曲面的清晰模型。

肥皂泡泡可以手工吹制或机器制造。 它们被用作舞台效果和儿童游戏，但也被成人用作迷人和愉快的消遣或作为一种身体有趣的现象。

正因为这种轻微的转瞬即逝，“肥皂泡”就成了比喻有吸引力却又没有实质的东西。

肥皂泡泡以物理方式解决复杂的数学空间问题，因为在平衡状态下，它们形成点和边之间的最小表面。

肥皂泡由一层薄薄的水组成，两亲性肥皂分子在其内部和外部附着，极性亲水性羧酸盐基团面向水，非极性疏水性烷基基团背向水。

脂质体与肥皂泡有相似的结构：它们也是球形的，它们的壳也由两亲性分子组成，但这里分子的亲水部分指向外。 生物膜也是一样，水在外面，而不是像肥皂泡泡那样在壳里。 脂质体和生物膜均由双层脂质组成。

当一层薄薄的水与肥皂分子混合时，就会形成肥皂泡泡。 膨胀时形成球形。 由于位于肥皂膜表面之间的液体的重力泄漏（排水），肥皂泡泡在其上部逐渐变薄。 这可以通过在杯子的开口上画一层肥皂膜然后垂直握住来观察。

此外，在流出过程中，肥皂泡下部区域有皂膜稳定表面活性剂分子的积累，使得上部区域由于表面吸附的表面活性剂分子相对不足而额外不稳定。事实上，大部分肥皂泡沸腾都在上部爆裂。 可以通过将肥皂泡泡或肥皂膜“锁定”在玻璃瓶中来防止蒸发。 这显着延长了肥皂泡泡的寿命。

肥皂泡的层厚可以观察：如果表面反射有色干涉色，层厚与光的波长相当。 随着层厚度的减少，皂膜最初变成无色，最后变成黑色。

在失重状态下，肥皂泡泡的存活时间是地球上的两倍，约为一分钟。肥皂泡壁更厚、更均匀，可以经受住针刺。

肥皂泡泡的产生是可能的，因为液体的表面 - 在这种情况下是水 - 具有导致表面弹性行为的表面张力。 人们通常认为肥皂是增加水的表面张力所必需的。 然而，事实恰恰相反：肥皂水的表面张力只有水的三分之一左右。 用纯水做肥泡泡之所以难，是因为表面张力太高，导致泡泡立马爆裂。 此外，肥皂会减慢蒸发速度，因此气泡会持续更长时间。

表面张力也是肥皂泡泡呈球形的原因。 通过最小化表面力由于给定体积的所有可能形状，气泡变成这种形状，球体具有最小的表面积。 没有外力（特别是重力和空气摩擦力），所有的气泡都会有一个理想的球形。 由于它们的自重很低，肥皂泡泡在现实中非常接近这个理想。

当两个肥皂气泡相遇时，同样的原理仍然适用，气泡呈现出表面积最小的形状。它们的共同壁向较大的气泡膨胀，因为较小的肥皂泡具有较高的内部压力。 当两个肥皂泡大小相同时，没有凸起，隔板是平的。

Plateau 的规则规定，当多个肥皂泡泡相遇时，所有角度都相等。 在有很多气泡的泡沫中，三个表面总是以 120° 的角度相交。 这里的表面也很小。 相同的表面张力会产生力的平衡。 四个边缘每条在一个节点（也称为顶点）中以大约 109° 28' 16'' 的角度相交。 这些规则是在 19 世纪由比利时物理学家约瑟夫普拉图根据实验研究建立的。

波光粼粼的颜色是由薄肥皂膜上的光波干涉产生的。 干涉导致在一定视角内消除了部分色谱。 其余部分以颜色感知，因为只有完整的色谱才会产生白光。

由于肥皂泡的墙壁有一定的厚度，入射光被反射两次 - 一次在墙壁的每一侧。两次光线的路径长度略有不同导致它们之间的路径差异。 如果路径差恰好是半个波长，则一条光线的波谷与另一条光线的波峰重合。 总数为零，即相应颜色的消光。 这称为相消干涉，与相长干涉相反，在相长干涉中，两个光束由于不同的路径差而正叠加。

皂泡的实际颜色（即淬光的波长，或延迟的长度）取决于皂膜的厚度和表面的照射角度。 当肥皂泡泡通过蒸发变薄时，可以观察到对层厚度的依赖性。 随着厚度减小，其他颜色被擦除。

最后，当壁的厚度小于可见光最小波长的一半时，可见光波不会相互抵消，也无法再观察到互补色。 在这种状态下，肥皂泡沸腾棒比一毫米的十分之二还细。 使用更小的层厚度，由于其他影响，人们可以观察到黑点 - 它们可能会在下一瞬间爆裂。

干涉现象的条件，即波列的相干性，由于层的薄而得到满足。 除了不同的几何路径长度外，另一个影响也会导致路径差异：

直接在空气肥皂皮肤界面（第二张图片中的 X 点）反射的波在即使在肥皂膜和空气之间的界面（图中的 O 点）反射后，透射波的相位也保持不变。 这里没有相移。 总路径差由不同的路径长度和外界面反射期间的相移组成。

这也解释了气泡在爆裂前瞬间颜色变深的原因，此时肥皂膜的厚度已降至非常小的值：这是由于透射波，之前通过肥皂的路径较长薄膜，现在几乎没有比直接反射波传播更长的距离，因此不会改变其相对于它的相位。 然而，反射波经历了上述相位跳跃，导致所有波相消干涉（抵消）。

如果一个肥皂泡的壁厚处处相同，路径差异将仅由照明角度定义，并且会显示均匀的颜色渐变。 但是，由于被气流移动的肥皂泡中的液膜因空气摩擦而产生涡流，因此壁厚并不均匀。 在有利条件下，这些湍流可以用肉眼看到。