Fyzika mýdlové bubliny

Mýdlové bubliny vznikají z průzračné téměř bezbarvé tekutiny - a přesto se mihotají ve všech barvách duhy. Jak je to možné? (délka blogu 5 min.)

Podobný jev se dá pozorovat na křídlech mouchy nebo na vrstvičce oleje, který někdo vylil na asfalt. Co má společného hmyz, olej a mýdlová bublina?

Za duhové barvy mýdlové bubliny nebo vrstvičky oleje - může (jak jinak) fyzika.

Za všechno může světlo a jedna jeho speciální vlastnost

To, čemu říkáme světlo, je proud fotonů. Fotony jsou elementární částice (částice, které se nedají rozložit na menší složky). Dají se definovat vlnovou délkou nebo frekvencí a nebo energií.

Vlnové vlastnosti fotonů

Vlnová délka (někdy též délka vlny) označuje vzdálenost dvou bodů s maximální amplitudou. Frekvence je pro změnu veličina, která udává počet opakování periodickéhoděje za určitý časový úsek.

Jestliže se nějakým prostředím šíří současně více vlnění z různých zdrojů - které má ovšem velice podobné hodnoty amplituda a frekvence - může docházet ke vzájemnému skládání (“sčítání”) vln.Tam, kde se vlny skládají, vznikají oblasti se zesílenými vlnami nebo s vlnami oslabenými. Dvě stejná vlnění se tak mohou dokonce i vzájemně zrušit. V případě světla se zesílení pozná zesvětlením. Oslabená vlna je naopak méně světlá. Při vzájemném zrušení nastane tma.

Proč tedy nepozorujeme všude kolem sebe skládání vln a barevné jevy? Proč se týkají jen speciálních případů?

Kromě samotného světla musí mít totiž předmět, na kterém se mají pozorovat duhové efekty - poskytovat vhodné prostředí. Musí být pokryt tenkou průhlednou vrstvičkou.  

Tak jako je tomu například u tenké vrstvy oleje, který někdo vylil na vodní hladinu.

Když na takovou vrstvu dopadá světelný paprsek, postarají se fyzikální zákony o to, že se částečně odrazí a částečně pronikne do materiálu (oleje). Při přechodu do nového materiálu se paprsek lomí (viz horní obrázek). Když dosáhne dno oleje, znovu se část paprsku odrazí. Tentokrát směřuje k povrchu tenkého olejového filmu. Při přechodu do vzduchu se znovu láme (vzduch má jiné vlastnosti než olej). Výsledkem je paprsek, který je slabší než původní, má ale stejné fyzikální vlastnosti, jaké měl před interakcí v oleji - s jedním malým rozdílem. Ta část paprsku, která musela absolvovat delší dráhu, protože se ponořila do oleje (na horním obrázku červeně), má jinou vlnovou fázi než sousední, odražená část (znázorněná zelenou barvou).

Fázový rozdíl závisí na délce dráhy, kterou musí paprsek absolvovat uvnitř oleje. A ta se zase může měnit podle úhlu dopadu světla nebo podle tloušťky filmu.

Aby všechno nebylo příliš jednoduché, podílí se na jevu ještě další aspekt, který se týká odraženého světla. Jedná se o fázový “skok”, který pozorujeme vždycky tehdy, když se vlnění odráží od opticky hustšího materiálu. Fáze přitom “poskočí” o polovinu vlnové délky.

Interference světla na tenké vstvičce

Pokud vycházíme z toho, že je vrstva materiálu všude stejně silná a je rovná (viz vodní hladina), mění se fáze světelných fotonů jen díky samotnému faktu, že se musí během interakce odrazit a také díky úhlu dopadu na vrstvu.

Díky tomu, že se naše světlo skládá z různých vlnových délek, dochází při interferenci (vzájemném skládání obou vln s různou fázovou charakteristikou) k různému zesilování nebo zeslabování jejich intenzity.

Některé z nich jsou poté intenzivnější, jiné jsou potlačené. Tenký film v podstatě světlo “rozebral na součástky”. Na hladině vidíme pestrý olejový film.

Zdá se vám to složité? Bude hůř. V přírodě totiž málokde existuje opravdu perfektní vrstvička s identickou tloušťkou. Dokonce ani zmiňovaná skvrna od oleje nemá dokonalý tvar.

To, že olejová skvrna (typicky na mokrém asfaltu) nemá všude stejnou tloušťku, je způsobeno gravitací a také nerovností podkladu. Uprostřed je o něco silnější. Tloušťka vrstvy (respektive změna její tloušťky) pak způsobuje to, že se na ní barvy poměrně rychle střídají u okrajů nebo tam, kde se tloušťka nejvíce mění.

Barvy mýdlových bublin

Tím se konečně dostáváme k mýdlovým bublinám. Připomeňme si, pro samotný barevný efekt je důležitý úhel odpadu a tloušťka tenké vrstvičky.

Mýdlové bubliny jsou pomíjivý jev, svou strukturu totiž neumí udržet moc dlouho. Gravitace nutí tekutinu, aby se koncentrovala ve spodní části bubliny, její vrchní část je tenčí a tenčí - a čeká ji neodvratný konec. Každá bublina jednou praskne.

Těsně předtím, než se navždy rozloučí a rozprskne se, ovšem navíc ztratí barvu. Čím je to způsobeno?

Vysvětlení je jednoduché. Zatímco se o barvy po dobu existence mýdlové bubliny stará interference, způsobená rozdílným úhlem dopadu, případně rozdílnou tloušťkou určité oblasti na bublině, podléhá bublina sama gravitaci. Její stěny jsou časem tenčí a tenčí, fázový rozdíl vlnění se postupně mění.

Těsně předtím, než bublina praskne, je její tloušťka minimální - a tím také fázový rozdíl. Ten je pak způsoben hlavně fázovým skokem jedné z obou interferujících vln (připomeňme si, že fázový skok se koná jen tehdy, když se vlnění odráží od opticky hustšího materiálu, při odrazu vlny na dně tenké vrstvy vody k němu nedochází, tady se paprsek odráží od opticky řidšího materiálu - vzduchu).

Fázový skok a téměř nulová změna fáze na velice tenké a téměř prasklé stěně bubliny pak mají za následek vyrušení obou světelných paprsků. Bublina ztmavne a hned na to praskne.

Tím se také vysvětluje, proč bubliny během své existence neustále mění svou barvu. Nejen že padají k zemi, takže je vidíme pod neustále novým úhlem. Navíc se stále mění jejich tloušťka a tím i fázový posun, který absolvuje světelná vlna předtím, než se složí se svou sousedkou, odraženou od povrchu bubliny.

Na jednu věc se dá v našem vesmíru spolehnout. Všechno se mění. Nic to nedokazuje lépe ... než mýdlová bublina.