Bong bóng xà phòng vỡ trong bao lâu và vì sao nó vỡ

Một bong bóng xà phòng cỡ quả bóng bàn vỡ trong khoảng vài mili giây, nhanh tới mức mắt chỉ thấy nó "biến mất". Khi màng xà phòng thủng một lỗ, mép lỗ co rút với tốc độ khoảng 5–25 mét mỗi giây tuỳ màng dày hay mỏng, quét hết bề mặt bong bóng trước khi ta kịp chớp mắt. Phần chậm là quãng trước đó: màng mỏng dần trong vài giây đến vài phút, và đó là quãng ta có thể kéo dài.

Bong bóng là một lớp nước kẹp giữa hai lớp xà phòng

Nước tinh khiết không thổi được bong bóng bền. Lực căng bề mặt của nước rất lớn, kéo màng co lại và vỡ gần như ngay lập tức. Xà phòng thay đổi điều đó. Phân tử xà phòng có một đầu ưa nước và một đuôi ghét nước; chúng xếp lên hai mặt của màng, đầu cắm vào nước, đuôi chĩa ra không khí. Kết quả là một chiếc bánh kẹp: lớp nước mỏng ở giữa, hai lớp xà phòng hai bên.

Lớp xà phòng làm hai việc. Nó giảm lực căng bề mặt xuống còn khoảng một phần ba của nước tinh khiết. Quan trọng hơn, khi một chỗ trên màng bị kéo căng và mỏng đi, mật độ xà phòng ở chỗ đó giảm, lực căng ở đó tăng lên và kéo phần màng xung quanh lại "vá" chỗ mỏng. Cơ chế tự vá này giúp bong bóng sống được.

Độ dày của màng rất nhỏ: từ vài micromet lúc vừa thổi xuống tới chỉ khoảng mười mấy nanomet trước khi vỡ, tức mỏng hơn sợi tóc hàng nghìn lần.

Bong bóng chết dần thế nào

Từ lúc rời que thổi, bong bóng bắt đầu một cuộc đếm ngược với ba kẻ thù:

• Trọng lực kéo nước trong màng chảy dần xuống đáy. Đỉnh bong bóng mỏng đi nhanh nhất, đáy thường đọng thành giọt.
• Bay hơi lấy nước khỏi màng, nhất là khi trời hanh khô, có gió.
• Va chạm với hạt bụi, ngón tay khô, cành cây, hoặc một vùng màng đã quá mỏng.

Bạn có thể nhìn thấy cuộc đếm ngược bằng mắt. Màu sắc lấp lánh trên bong bóng sinh ra do ánh sáng phản xạ ở mặt trước và mặt sau của màng giao thoa với nhau, nên màu thay đổi theo độ dày. Khi màu trôi xuống và đỉnh bong bóng chuyển sang những vệt tối gần như trong suốt, màng ở đó đã mỏng còn vài chục nanomet. Bong bóng sắp vỡ.

Khoảnh khắc vỡ: vài mili giây

Khi một lỗ nhỏ xuất hiện, lực căng bề mặt kéo mép lỗ lùi lại, giống như một tấm màn bị xé. Màng không biến mất tại chỗ mà cuộn lại thành một vành dày ở mép lỗ, vành ấy chạy quanh bề mặt bong bóng và bắn ra vô số giọt li ti.

Tốc độ mép lỗ

Từ thập niên 1950–1960, hai nhà khoa học G. I. Taylor và F. E. C. Culick tính ra tốc độ này. Công thức đơn giản tới bất ngờ: tốc độ bằng căn bậc hai của hai lần lực căng bề mặt chia cho khối lượng riêng của nước nhân độ dày màng. Màng càng mỏng, mép lỗ chạy càng nhanh.

Bảng trên là ước tính bằng công thức Taylor–Culick với lực căng của nước xà phòng khoảng 0,025 N/m; thời gian vỡ lấy theo quãng đường mép lỗ phải đi nửa vòng bong bóng. Thực tế còn tuỳ vị trí lỗ và độ dày không đều của màng, nhưng thứ bậc độ lớn là đúng: vài mili giây đến vài chục mili giây. Một cái chớp mắt dài cỡ 100–400 ms, gấp hàng chục lần.

Những giọt bắn ra

Khi vành mép lỗ chạy, nó không ổn định và vỡ thành giọt. Đó là lý do khi một bong bóng vỡ gần mặt, bạn thấy lấm tấm ướt. Hiện tượng này quan trọng hơn nhiều so với vẻ ngoài: trên đại dương, hàng tỉ bọt khí vỡ trên mặt sóng mỗi giây, bắn những giọt nước muối nhỏ vào không khí. Chúng bay hơi để lại hạt muối, trở thành một trong những nguồn hạt nhân ngưng tụ quan trọng cho mây trên biển.

Thí nghiệm tại nhà: quay chậm khoảnh khắc vỡ

Nhiều điện thoại có chế độ quay chậm 240 hình mỗi giây, tức mỗi hình cách nhau khoảng 4 ms. Một số máy quay được nhanh hơn nữa. Đủ để bắt được bong bóng đang vỡ.

1. Pha nước bong bóng: nước sạch, nước rửa chén theo tỉ lệ khoảng 6 phần nước, 1 phần nước rửa chén, thêm một thìa nhỏ glycerin hoặc đường. Khuấy nhẹ, để qua vài giờ hoặc qua đêm cho bọt lắng.
2. Thổi bong bóng to, cho nó đậu lên một mặt phẳng được thấm ướt nước xà phòng (bong bóng sẽ thành hình bán cầu, đứng yên để quay).
3. Đặt điện thoại trên giá, bật quay chậm, chiếu đèn từ bên cạnh để màng sáng rõ.
4. Chạm vào đỉnh bán cầu bằng một que tăm khô. Xem lại từng hình: bạn sẽ thấy lỗ mở rộng như một chiếc vòng, có khi chỉ trong 1–3 hình.

Mở rộng phép thử: chạm bằng ngón tay đã nhúng nước xà phòng. Ngón tay ướt có thể xuyên vào trong bong bóng mà không làm vỡ, vì màng bám quanh ngón như bám que thổi. Ngón tay khô thì làm vỡ ngay. Đây là cách đơn giản để thấy "chỗ khô" chính là nơi lỗ bắt đầu.

Làm bong bóng sống lâu hơn

Bong bóng trong lịch sử khoa học

Bong bóng xà phòng từng là đối tượng nghiên cứu nghiêm túc. Nhà vật lý người Bỉ Joseph Plateau, trong công trình xuất bản năm 1873, mô tả các quy luật khi nhiều màng xà phòng gặp nhau: chúng luôn gặp nhau theo bộ ba, tạo các góc bằng nhau 120 độ. Ngày nay các quy luật này được gọi là định luật Plateau. Năm 1890, nhà vật lý Anh C. V. Boys xuất bản cuốn sách nhỏ Soap Bubbles từ loạt bài giảng cho thiếu niên; cuốn sách vẫn được tái bản và đọc tới nay.

Bong bóng còn là bài học về áp suất. Không khí bên trong một bong bóng hơi cao hơn bên ngoài, và bong bóng càng nhỏ thì chênh lệch càng lớn. Vì thế khi nối thông hai bong bóng to nhỏ bằng một ống, bong bóng nhỏ lại xẹp dần, thổi vào bong bóng lớn, ngược với trực giác của hầu hết mọi người.

Góc nhìn hôm nay

Thổi bong bóng là hoạt động ai cũng từng làm, nhưng ít khi ta nghĩ nó chứa cả hoá học bề mặt, quang học giao thoa và cơ học chất lỏng. Với trẻ nhỏ, chỉ cần lưu ý không để nước xà phòng vào mắt và không uống. Với học sinh lớn hơn, chiếc điện thoại quay chậm biến bong bóng thành một phòng thí nghiệm thật: đo, so sánh, thay đổi công thức pha. Muốn đọc tiếp, cuốn Soap Bubbles của C. V. Boys có bản điện tử miễn phí vì đã hết bản quyền.