Burbuja de jabón

Una pompa de jabón  es una película delgada de varias capas de agua jabonosa llena de aire, generalmente en forma de esfera con una superficie iridiscente . Las pompas de jabón suelen durar solo unos segundos y estallan al tocarlas o espontáneamente. Los niños los utilizan a menudo en sus juegos .

Debido a la fragilidad de la pompa de jabón se ha convertido en sinónimo de algo atractivo, pero vacío y efímero. A veces , las acciones en los nuevos mercados se comparan con pompas de jabón, en el caso de la inflación artificial de su valor, se les llama "infladas".

Estructura de pared de pompas de jabón

La película de burbujas consiste en una fina capa de agua intercalada entre dos capas de moléculas, más comúnmente jabón. Estas capas contienen moléculas, una parte de las cuales es hidrófila y la otra hidrófoba . La parte hidrófila es atraída por una fina capa de agua, mientras que la parte hidrófoba, por el contrario, es expulsada. Como resultado, se forman capas que protegen el agua de la rápida evaporación, así como también reducen la tensión superficial .

Fundamentos físicos

Tensión superficial y forma

La burbuja existe porque la superficie de cualquier líquido (en este caso, el agua) tiene cierta tensión superficial , lo que hace que la superficie se comporte como algo elástico . Sin embargo, una burbuja hecha solo de agua es inestable y estalla rápidamente. Para estabilizar su estado, algunos tensioactivos , como el jabón, se disuelven en agua. Un concepto erróneo común es que el jabón aumenta la tensión superficial del agua. De hecho, hace exactamente lo contrario: reduce la tensión superficial a aproximadamente un tercio de la del agua pura. Cuando se estira una película de jabón, la concentración de moléculas de jabón en la superficie disminuye, aumentando la tensión superficial . Por lo tanto, el jabón fortalece selectivamente las áreas débiles de la burbuja, evitando que se estiren más. Además de esto, el jabón evita que el agua se evapore, lo que prolonga aún más la vida de la burbuja.

La forma esférica de la burbuja también se obtiene debido a la tensión superficial . Las fuerzas de tensión forman una esfera porque una esfera tiene el área de superficie más pequeña para un volumen dado. Esta forma puede distorsionarse significativamente por las corrientes de aire y el propio proceso de inflado de burbujas. Sin embargo, si se deja que la burbuja flote en el aire quieto, muy pronto su forma se acercará a la esférica.

Burbujas heladas

Hay pruebas de que las pompas de jabón se congelan a temperaturas de alrededor de -10 °C [1] . Para evitar que la burbuja se rompa cuando se congela, se recomienda inflar la pompa de jabón con aire a temperatura exterior (por ejemplo, moviendo rápidamente el anillo), y no con aire caliente de la boca.

Si infla una burbuja a -15 ° C , se congelará al contacto con la superficie. El aire dentro de la burbuja se escapará gradualmente y eventualmente la burbuja colapsará por su propio peso.

A -25°C, las burbujas se congelan en el aire y pueden romperse cuando golpean el suelo. Si infla una burbuja con aire caliente a esta temperatura, se congelará en una forma esférica casi perfecta, pero a medida que el aire se enfríe y disminuya su volumen, la burbuja puede colapsar parcialmente y su forma se distorsionará. Las burbujas infladas a esta temperatura siempre serán pequeñas, ya que se congelarán rápidamente y, si las sigues inflando, estallarán.

Fusión de burbujas

Cuando dos burbujas se juntan, toman la forma con el área de superficie más pequeña posible. Su pared común sobresaldrá dentro de la burbuja más grande, ya que la burbuja más pequeña tiene una curvatura media más grande y una presión interna mayor. Si las burbujas son del mismo tamaño, su pared común será plana.

Las reglas que obedecen las burbujas cuando se conectan fueron establecidas experimentalmente en el siglo XIX por el físico belga Joseph Plateau y probadas matemáticamente en 1976 por Jean Taylor .).

Las burbujas que no obedezcan estas reglas pueden, en principio, formarse, pero serán muy inestables y tomarán rápidamente la forma correcta o colapsarán. Las abejas , que buscan reducir el consumo de cera , conectan los panales en las colmenas también en un ángulo de 120° , formando así hexágonos regulares .

Interferencias y reflejos

Los colores iridiscentes del "arco iris" de las pompas de jabón se observan debido a la interferencia de las ondas de luz y están determinados por el grosor de la película de jabón.

Cuando un haz de luz pasa a través de la fina película de la burbuja, parte de él se refleja desde la superficie exterior, formando el primer haz, mientras que otra parte penetra en la película y se refleja desde la superficie interior, formando el segundo haz. El color de la radiación observada en la reflexión está determinado por la interferencia de estos dos rayos. Dado que cada paso de luz a través de una película crea un cambio de fase proporcional al espesor de la película e inversamente proporcional a la longitud de onda, el resultado de la interferencia depende de dos cantidades. Cuando se refleja, algunas ondas se suman en fase, mientras que otras están desfasadas y, como resultado, la luz blanca que choca con la película se refleja con un matiz que depende del grosor de la película.

A medida que la película se adelgaza debido a la evaporación del agua, se puede observar un cambio en el color de la burbuja. Una película más gruesa elimina el componente rojo de la luz blanca, lo que hace que la luz reflejada se tiña de azul verdoso. Una película más delgada elimina el amarillo (dejando una luz azul), luego el verde (dejando el magenta) y luego el azul (dejando el amarillo dorado). Al final, la pared de la burbuja se vuelve más delgada que la longitud de onda de la luz visible, todas las ondas reflejadas de la luz visible se suman en antifase y dejamos de ver el reflejo (contra un fondo oscuro, esta parte de la burbuja parece una "punto negro"). Cuando esto sucede, el grosor de la pared de la pompa de jabón es inferior a 25 nanómetros y es probable que estalle pronto.

El efecto de interferencia también depende del ángulo en el que el haz de luz golpea la película de burbujas. Por lo tanto, incluso si el grosor de la pared fuera el mismo en todas partes, todavía observaríamos diferentes colores debido al movimiento de la burbuja. Pero el grosor de la burbuja cambia constantemente debido a la gravedad, que empuja el líquido hacia el fondo, por lo que generalmente podemos ver rayas de diferentes colores que se mueven de arriba hacia abajo.

Propiedades matemáticas

Las pompas de jabón también son una ilustración física del problema de la superficie mínima , un problema matemático complejo. Por ejemplo, si bien se sabe desde 1884 que una pompa de jabón tiene un área de superficie mínima para un volumen dado, no fue hasta el año 2000 que se demostró que dos burbujas fusionadas también tenían un área de superficie mínima para un volumen combinado dado. Este problema ha sido llamado el teorema de la doble burbuja. Además, solo con el advenimiento de la teoría de la medida geométrica fue posible demostrar que la superficie óptima será uniforme por partes y no infinitamente rota.

La película de una pompa de jabón siempre tiende a minimizar su superficie. Esto se debe a que la energía libre de una película líquida es proporcional a su superficie y tiende a alcanzar un mínimo:

donde  es la tensión superficial de la sustancia, y  es el área superficial total de la película. La forma óptima para una sola burbuja es una esfera, pero varias burbujas combinadas tienen una forma mucho más compleja.

Espectáculo de burbujas

El espectáculo de pompas de jabón es a la vez entretenimiento y arte. Crear burbujas espectaculares requiere un alto nivel de habilidad por parte del artista, así como la capacidad de preparar una solución de jabón de calidad perfecta. Algunos artistas crean burbujas gigantes, a menudo envolviendo objetos o incluso personas. Otros logran crear burbujas en forma de cubo , tetraedro y otras formas. A menudo, para mejorar el efecto visual, las burbujas se llenan de humo o gas combustible, combinado con iluminación láser o fuego abierto.

Registros

El 2 de marzo de 2017, la mujer rusa Lyudmila Darina estableció el récord del Libro Guinness de los Récords "El mayor número de personas dentro de una pompa de jabón" [3]  : 374 personas. El 30 de enero de 2018, este récord también fue incluido en el " Libro Ruso de los Récords "] [4] como récord mundial.

Grabar foto

Historia

Plateau, Joseph fue uno de los primeros en Europa en estudiar científicamente las figuras de las películas de jabón, describió los resultados y formuló el problema que lleva su nombre: el problema de Plateau . En la formulación más simple, se puede formular de la siguiente manera: "encontrar la superficie del área más pequeña delimitada por un contorno espacial cerrado dado" . También propuso su solución física con la ayuda de películas de jabón.

Véase también

Notas

  1. ↑ Congelación de pompas de jabón en YouTube
  2. ↑ M. Hutchings, F. Morgan, M. Ritoré, A. Ros Prueba de la conjetura de la doble burbuja Archivado el 29 de enero de 2019 en Wayback Machine // Ann. de Matemáticas. (2), vol. 155 (2002), nº 2, 459-489.
  3. ↑ La mayoría de las personas dentro de una burbuja de jabón  (inglés) , Guinness World Records . Archivado desde el original el 21 de marzo de 2018. Consultado el 20 de marzo de 2018.
  4. ↑ Rusia, Libro de registros . El mayor número de personas dentro de una pompa de jabón (récord mundial)  (polaco) , LIBRO DE REGISTROS DE RUSIA . Archivado desde el original el 20 de marzo de 2018. Consultado el 20 de marzo de 2018.

Literatura