皂膜

皂膜（Soap films）是由液体（多半是水基液体，例如肥皂液）在空气中形成的薄膜。例如两个肥皂泡接触时，两个肥皂泡会融合成一个，而在中间形成薄膜。泡沫就是由许多皂膜，依普拉托定律连接成的网络。皂膜有两层表面，由于表面张力，皂膜会使表面面积最小[1]。皂膜可以用来成为极小曲面的模型，常用在数学中。

稳定性

 
图1：皂膜两面上表面活性剂的组织
 
图2：因为表面活性剂集中产生的马伦哥尼效应。箭头表示力的方向

从日常经验可以看出，在水或是纯液体中不太容易让泡沫持续存在。而肥皂的成分有表面活性剂分子，可以稳定肥皂泡。表面活性剂多半会是两亲分子，其中有疏水性的部分及亲水性的部分，会在空气/水的界面上排列（见图1）。

表面活性剂会让皂膜的二层表面之间有排斥力，让皂膜不会变薄破裂。可以透过有关分离压（英语：disjoining pressure）的计算来量化其效果。主要的排斥机制是位阻效应（表面活性剂无法交错）及静电力（若表面活性剂有带电的情形）。

若皂膜的厚度有波动时，靠着著表面活性剂的马伦哥尼效应也会使皂膜稳定。因此皂膜界面有一些可挠性。若上面的表面张力没有均匀分布，会透过马伦哥尼效应使表面张力均匀分布（见图2）。

不过就算存在有稳定效果的表面活性剂，皂膜仍无法永久存在不破裂。水会慢慢蒸发（速率因着空气中湿度而不同）。而且只要皂膜不是完美的水平配置，其中的液体会因为重力而往下方流动，渐渐累积到下方，最后皂膜的上方会变薄，最后破裂。

表面张力的影响：极小曲面

以数学的观点来看，皂膜可以视为是极小曲面。表面张力是量测形成表面需要的能量，会将表面极小化，因为表面能量和皂膜面积成正比，皂膜会变形使其表面极小，因此也使其能量极小[2]。

皂膜的形式会依照支持方式而变化。若在平的表面上，皂膜一般也会是平的，不过若是支持的物体形状较复杂，皂膜会变形，使其表面达到极小曲面[2]。

颜色

 
图3：皂膜的薄膜干涉。最上方金黄色的部分是皂膜最薄的位置，甚至其中有几个小的黑点

皂膜的彩虹色是因为皂膜两层表面干涉光波所造成，此现象称为薄膜干涉，会因皂膜的厚度而定。此现象的原理不是因为形成彩虹的折射造成，比较类似油污在水上产生的彩虹色。

水分流动的影响

若选择适当的表面活性剂[2]，适当的控制大气湿度及空气的流动，水平的皂膜可以维持几分钟其至到几小时。不过，垂直的皂膜会因为重力影响使水分往下流，使上方的皂膜变薄。皂膜颜色随厚度而变化，因此垂直皂膜上方的颜色会和下方不同。

 
图4：垂直的皂膜

破裂

若皂膜不稳定，最后则会破裂。在皂膜某处会有破洞，之后破洞会迅速扩大。表面张力会使得表面极小化，因此皂膜最后会消失。破洞的出现会被液体的惯性所减慢。惯性力的平衡以及表面张力会产生以下的开口速度（opening velocity）[3]：  

其中

 为液体表面张力
 为液体密度
 为皂膜厚度

参见

参考资料

  1. ^ John Avison. The World of Physics. Nelson Thornes. November 2014: 161–. ISBN 978-0-17-438733-6. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Ball, 2009. pp. 61–67
  3. ^ Culick, F.E.C. Comments on a Ruptured Soap Film 31. 1960: 1128–1129.  |journal=被忽略 (帮助); |issue=被忽略 (帮助)
  • Ball, Philip. Shapes. Nature's Patterns: a tapestry in three parts. Oxford University Press. 2009: 61–67, 81–97, 291–292. ISBN 978-0-19-960486-9. 

外部链接