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Burbuja (física)

Burbujas de aire que se elevan desde un buceador en el agua
Una burbuja de jabón flotando en el aire.

Una burbuja es un glóbulo de una sustancia gaseosa en un líquido. En el caso opuesto, un glóbulo de un líquido en un gas se denomina gota . [1] Debido al efecto Marangoni , las burbujas pueden permanecer intactas cuando alcanzan la superficie de la sustancia inmersa.

Ejemplos comunes

Las burbujas se ven en muchos lugares de la vida cotidiana, por ejemplo:

Física y química

Las burbujas se forman y se fusionan en formas globulares porque esas formas se encuentran en un estado de energía más bajo. Para conocer la física y la química que las sustentan, consulte nucleación .

Apariencia

Burbujas de gas que suben en un refresco

Las burbujas son visibles porque tienen un índice de refracción (IR) diferente al de la sustancia que las rodea. Por ejemplo, el IR del aire es aproximadamente 1,0003 y el del agua es aproximadamente 1,333. La Ley de Snell describe cómo las ondas electromagnéticas cambian de dirección en la interfaz entre dos medios con IR diferente; por lo tanto, las burbujas se pueden identificar a partir de la refracción y la reflexión interna que las acompañan, aunque tanto el medio sumergido como el medio que se sumerge sean transparentes.

La explicación anterior sólo es válida para burbujas de un medio sumergidas en otro medio (por ejemplo, burbujas de gas en un refresco); el volumen de una burbuja de membrana (por ejemplo, una burbuja de jabón) no distorsiona mucho la luz y sólo se puede ver una burbuja de membrana debido a la difracción y reflexión de película delgada .

Aplicaciones

La nucleación se puede inducir intencionalmente, por ejemplo, para crear un bubblegram en un sólido.

En las imágenes por ultrasonido médico , se utilizan pequeñas burbujas encapsuladas llamadas agente de contraste para mejorar el contraste.

En la impresión por inyección térmica , las burbujas de vapor se utilizan como actuadores. En ocasiones, también se utilizan como actuadores en otras aplicaciones de microfluidos . [2]

El colapso violento de las burbujas ( cavitación ) cerca de superficies sólidas y el chorro resultante que choca constituyen el mecanismo utilizado en la limpieza ultrasónica . El mismo efecto, pero a mayor escala, se utiliza en armas de energía enfocada como la bazuca y el torpedo . El camarón pistola también utiliza una burbuja de cavitación que colapsa como arma. El mismo efecto se utiliza para tratar los cálculos renales en un litotriptor . Los mamíferos marinos como los delfines y las ballenas utilizan las burbujas para el entretenimiento o como herramientas de caza. Los aireadores provocan la disolución del gas en el líquido inyectando burbujas.

Los ingenieros químicos y metalúrgicos utilizan burbujas en procesos como la destilación, la absorción, la flotación y el secado por aspersión. Los complejos procesos involucrados a menudo requieren la consideración de la transferencia de masa y calor y se modelan utilizando dinámica de fluidos . [3]

El topo de nariz estrellada y la musaraña acuática americana pueden oler bajo el agua respirando rápidamente por sus fosas nasales y creando una burbuja. [4]

Las investigaciones sobre el origen de la vida en la Tierra sugieren que las burbujas pueden haber desempeñado un papel fundamental en el confinamiento y la concentración de moléculas precursoras de la vida, una función que actualmente desempeñan las membranas celulares . [5]

Los láseres de burbujas utilizan burbujas como resonador óptico y pueden utilizarse como sensores de presión de alta sensibilidad. [6]

Pulsación

Cuando las burbujas se ven perturbadas (por ejemplo, cuando se inyecta una burbuja de gas bajo el agua), la pared oscila. Aunque a menudo esto queda enmascarado visualmente por deformaciones de forma mucho mayores, un componente de la oscilación cambia el volumen de la burbuja (es decir, se trata de una pulsación) que, en ausencia de un campo sonoro impuesto externamente, se produce a la frecuencia natural de la burbuja . La pulsación es el componente más importante de la oscilación, acústicamente, porque al cambiar el volumen del gas, cambia su presión y conduce a la emisión de sonido a la frecuencia natural de la burbuja. En el caso de las burbujas de aire en el agua, las burbujas grandes ( tensión superficial y conductividad térmica despreciables ) experimentan pulsaciones adiabáticas , lo que significa que no se transfiere calor ni del líquido al gas ni viceversa. La frecuencia natural de dichas burbujas está determinada por la ecuación: [7] [8]

dónde:

En el caso de las burbujas de aire en el agua, las burbujas más pequeñas experimentan pulsaciones isotérmicas . La ecuación correspondiente para burbujas pequeñas de tensión superficial σ (y viscosidad del líquido despreciable ) es [8]

Las burbujas excitadas atrapadas bajo el agua son la principal fuente de sonidos líquidos , como el que se escucha dentro de nuestros nudillos cuando los crujimos [9] y cuando una gota de lluvia impacta una superficie de agua. [10] [11]

Fisiología y medicina

La lesión por formación y crecimiento de burbujas en los tejidos corporales es el mecanismo de la enfermedad por descompresión , que se produce cuando los gases inertes disueltos sobresaturados salen de la solución en forma de burbujas durante la descompresión . El daño puede deberse a la deformación mecánica de los tejidos debido al crecimiento de burbujas in situ, o al bloqueo de los vasos sanguíneos donde se ha alojado la burbuja.

La embolia gaseosa arterial puede ocurrir cuando una burbuja de gas se introduce en el sistema circulatorio y se aloja en un vaso sanguíneo que es demasiado pequeño para que pueda pasar a través de él debido a la diferencia de presión existente. Esto puede ocurrir como resultado de la descompresión después de una exposición hiperbárica, una lesión por sobreexpansión pulmonar , durante la administración de líquidos por vía intravenosa o durante una cirugía .

Véase también

Referencias

  1. ^ Subramanian, R. Shankar; Balasubramaniam, R. (9 de abril de 2001). El movimiento de burbujas y gotas en condiciones de gravedad reducida. Cambridge University Press. ISBN 9780521496056.
  2. ^ RJ Dijkink, JP van der Dennen, CD Ohl, A. Prosperetti , La 'vieira acústica': un actuador accionado por burbujas , J. Micromech. Microeng. 16 1653 (2006)
  3. ^ Weber y col. (1978). Burbujas, gotas y partículas . Nueva York: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9.
  4. ^ Roxanne Khamsi. "Un topo de nariz estrellada puede olfatear bajo el agua, según revelan unos vídeos".
  5. ^ Whitcomb, Isobel (6 de agosto de 2019). «¿La clave del surgimiento de la vida? Las burbujas, según sostiene un nuevo estudio». LiveScience . Consultado el 8 de enero de 2022 .
  6. ^ Miller, Johanna. "Los láseres de burbujas pueden ser resistentes y sensibles". Physics Today . American Institute of Physics . Consultado el 2 de abril de 2024 .
  7. ^ Minnaert, Marcel, Sobre burbujas de aire musicales y sonidos de agua corriente, Phil. Mag. 16, 235-248 (1933).
  8. ^ ab Leighton, Timothy G., La burbuja acústica (Academic, Londres, 1994).
  9. ^ Chandran Suja, V.; Barakat, AI (29 de marzo de 2018). "Un modelo matemático para los sonidos producidos por el crujido de los nudillos". Scientific Reports . 8 (1): 4600. Bibcode :2018NatSR...8.4600C. doi :10.1038/s41598-018-22664-4. ISSN  2045-2322. PMC 5876406 . PMID  29599511. 
  10. ^ Prosperetti, Andrea; Oguz, Hasan N. (1993). "El impacto de las gotas sobre superficies líquidas y el ruido submarino de la lluvia". Revista Anual de Mecánica de Fluidos . 25 : 577–602. Bibcode :1993AnRFM..25..577P. doi :10.1146/annurev.fl.25.010193.003045.
  11. ^ Rankin, Ryan C. (junio de 2005). "Bubble Resonance". La física de las burbujas, las antiburbujas y todo eso . Consultado el 9 de diciembre de 2006 .