Una pompa de jabón (comúnmente conocida simplemente como burbuja ) es una película extremadamente delgada de jabón o detergente y agua que encierra aire y forma una esfera hueca con una superficie iridiscente . Las pompas de jabón suelen durar sólo unos segundos antes de estallar, ya sea por sí solas o al entrar en contacto con otro objeto. Se suelen utilizar para el disfrute de los niños, pero también se utilizan en actuaciones artísticas . Al ensamblar muchas burbujas se obtiene espuma .
Cuando la luz incide sobre una burbuja, parece cambiar de color. A diferencia de los que se ven en un arco iris, que surgen de la refracción diferencial, los colores que se ven en una pompa de jabón surgen de la interferencia de ondas de luz , que se reflejan en las superficies frontal y posterior de la fina película de jabón. Dependiendo del espesor de la película, los diferentes colores interfieren de forma constructiva y destructiva.
Las pompas de jabón son ejemplos físicos del complejo problema matemático de la superficie mínima . Asumirán la forma de la menor superficie posible que contenga un volumen determinado. Una verdadera superficie mínima se ilustra mejor con una película de jabón , que tiene la misma presión en ambos lados, convirtiéndose en una superficie con curvatura media cero . Una pompa de jabón es una película de jabón cerrada: debido a la diferencia de presión exterior e interior, es una superficie de curvatura media constante .
Si bien se sabe desde 1884 que una pompa de jabón esférica es la forma de encerrar un volumen de aire determinado con área mínima (un teorema de HA Schwarz ), no fue hasta el año 2000 que se demostró que dos pompas de jabón fusionadas proporcionan la forma óptima. Forma de encerrar dos volúmenes de aire dados de diferente tamaño con la menor superficie. Esto ha sido denominado la conjetura de la doble burbuja . [1]
Debido a estas cualidades, las películas para pompas de jabón se han utilizado en aplicaciones prácticas de resolución de problemas. El ingeniero estructural Frei Otto utilizó películas de pompas de jabón para determinar la geometría de una lámina de menor superficie que se extiende entre varios puntos, y tradujo esta geometría en revolucionarias estructuras de techo tensadas . [2] Un ejemplo famoso es su Pabellón de Alemania Occidental en la Expo 67 en Montreal.
Las estructuras que forman las películas de jabón no pueden encerrarse simplemente en forma de esferas, sino de prácticamente cualquier forma, por ejemplo, en marcos de alambre. Por lo tanto, se pueden diseñar muchas superficies mínimas diferentes. De hecho, a veces es más fácil crearlos físicamente que calcularlos mediante modelos matemáticos . Es por eso que las películas de jabón pueden considerarse computadoras analógicas que pueden superar a las computadoras convencionales, dependiendo de la complejidad del sistema. [3] [4] [5]
Cuando dos burbujas se fusionan, adoptan una forma que hace que la suma de sus superficies sea lo más pequeña posible, compatible con el volumen de aire que encierra cada burbuja. Si las burbujas son del mismo tamaño, su pared común es plana. Si no son del mismo tamaño, su pared común sobresale hacia la burbuja más grande, ya que la más pequeña tiene una presión interna mayor que la más grande, como predice la ecuación de Young-Laplace .
En un punto donde se encuentran tres o más burbujas, se separan de modo que sólo tres paredes de burbujas se encuentran a lo largo de una línea. Como la tensión superficial es la misma en cada una de las tres superficies, los tres ángulos entre ellas deben ser iguales a 120°. Solo cuatro paredes de burbujas pueden encontrarse en un punto, con las líneas donde se encuentran los tripletes de paredes de burbujas separadas por cos −1 (−1/3) ≈ 109,47°. Todas estas reglas, conocidas como leyes de Plateau , determinan cómo se construye una espuma a partir de burbujas.
La longevidad de una pompa de jabón está limitada por la facilidad de ruptura de la finísima capa de agua que constituye su superficie, es decir, una película de jabón de un micrómetro de espesor . Por tanto, es sensible a:
Después de los experimentos, los investigadores encontraron que una solución que contiene:
dio los resultados más duraderos ya que minimizó el efecto Marangoni . [6]
Cuando una pompa de jabón entra en contacto con una superficie sólida o líquida se observa humectación . En una superficie sólida, el ángulo de contacto de la burbuja depende de la energía superficial del sólido. [7] [8] Una pompa de jabón tiene un ángulo de contacto mayor en una superficie sólida que muestra ultrahidrofobicidad que en una superficie hidrofílica; consulte Humectación . En una superficie líquida, el ángulo de contacto de la pompa de jabón depende de su tamaño: las burbujas más pequeñas tienen ángulos de contacto más bajos. [9] [10]
El gas dentro de una burbuja es menos denso que el aire porque es principalmente vapor de agua. El vapor de agua es un gas que se forma cuando las moléculas de agua se evaporan. Cuando las moléculas de agua se evaporan, escapan del estado líquido y pasan al estado gaseoso. En el estado gaseoso, las moléculas de agua están más separadas que en el estado líquido. Esto se debe a que las moléculas de agua se atraen entre sí. Cuando se evaporan, se separan de estas atracciones y se separan más.
Cuanto más separadas están las moléculas de agua, menos densas son. Por eso el vapor de agua es menos denso que el aire. El gas dentro de una burbuja es principalmente vapor de agua, por lo que también es menos denso que el aire.
La densidad de un gas también puede verse afectada por su temperatura. A medida que aumenta la temperatura de un gas, las moléculas del gas se mueven más rápido. Esto hace que se extiendan y se vuelvan menos densos. Lo opuesto también es cierto. A medida que la temperatura de un gas disminuye, las moléculas del gas se mueven más lentamente. Esto hace que se amontonen y se vuelvan más densos.
La temperatura del gas dentro de una burbuja se ve afectada por la temperatura del agua que la rodea. Cuanto más caliente esté el agua, más caliente estará el gas dentro de la burbuja. Esto significa que el gas dentro de una burbuja será menos denso si el agua está caliente que si está fría.
Las pompas de jabón se han utilizado como entretenimiento durante al menos 400 años, como lo demuestran las pinturas flamencas del siglo XVII que muestran a niños haciendo burbujas con pipas de arcilla. La firma londinense A. & F. Pears creó una famosa campaña publicitaria para sus jabones en 1886 utilizando una pintura de John Everett Millais de un niño jugando con burbujas. La empresa Chemtoy de Chicago comenzó a vender solución para hacer burbujas en la década de 1940, y desde entonces la solución para hacer burbujas ha sido popular entre los niños. Según una estimación de la industria, los minoristas venden alrededor de 200 millones de botellas al año. [ cita necesaria ]
Una burbuja está hecha de agua transparente que encierra aire transparente. Sin embargo, la película de jabón es tan delgada como la longitud de onda de la luz visible , lo que produce interferencias ópticas . Esto crea una iridiscencia que, junto con la forma esférica y la fragilidad de la burbuja, contribuye a su efecto mágico tanto en niños como en adultos. Cada color es el resultado de diferentes espesores de película de pompas de jabón. Tom Noddy (que apareció en el segundo episodio de The Code de Marcus du Sautoy ) dio la analogía de mirar un mapa de contorno de la superficie de las burbujas. Sin embargo, producir burbujas coloreadas artificialmente se ha convertido en un desafío.
Byron, Melody y Enoch Swetland inventaron una burbuja no tóxica patentada (Tekno Bubbles) [11] que brilla bajo luz ultravioleta. Estas burbujas parecen burbujas "transparentes" ordinarias de alta calidad bajo iluminación normal, pero brillan cuando se exponen a la luz ultravioleta verdadera. Cuanto más brillante es la iluminación ultravioleta, más brillan. La familia los vendió en todo el mundo, pero desde entonces vendió su empresa.
Agregar tinte coloreado a las mezclas de burbujas no produce burbujas coloreadas, porque el tinte se adhiere a las moléculas de agua en lugar del surfactante. Por tanto, se forma una burbuja incolora con el tinte cayendo hasta un punto en la base. El químico de tintes Dr. Ram Sabnis ha desarrollado un tinte de lactona que se adhiere a los tensioactivos, permitiendo que se formen burbujas de colores brillantes. La lactona violeta cristal es un ejemplo. Otro hombre llamado Tim Kehoe inventó una burbuja de color que pierde su color cuando se expone a presión u oxígeno, que ahora comercializa en línea como Zubbles , que no son tóxicas ni manchan. En 2010, la astronauta japonesa Naoko Yamazaki demostró que es posible crear burbujas de colores en microgravedad . La razón es que las moléculas de agua se distribuyen uniformemente alrededor de la burbuja en un entorno de baja gravedad.
Si se soplan pompas de jabón en aire que está por debajo de una temperatura de -15 °C (5 °F ), se congelarán cuando toquen una superficie . El aire del interior se difundirá gradualmente hacia el exterior, haciendo que la burbuja se desmorone por su propio peso. A temperaturas inferiores a aproximadamente -25 °C (-13 °F), las burbujas se congelarán en el aire y pueden romperse al golpear el suelo. Cuando se sopla una burbuja con aire caliente, al principio la burbuja se congelará hasta formar una esfera casi perfecta, pero cuando el aire caliente se enfríe y se produzca una reducción de volumen, se producirá un colapso parcial de la burbuja. Una burbuja creada con éxito a esta baja temperatura siempre será bastante pequeña; se congelará rápidamente y se romperá si se aumenta más. [12] La congelación de las pequeñas pompas de jabón se produce dos segundos después de haber caído sobre la nieve (a una temperatura del aire de –10...–14 °C). [13]
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Las actuaciones de pompas de jabón combinan entretenimiento con logros artísticos. Requieren un alto grado de habilidad. [ cita necesaria ] Algunos artistas utilizan líquidos de burbujas comunes disponibles comercialmente, mientras que otros componen sus propias soluciones. Algunos artistas crean burbujas o tubos gigantes, que a menudo envuelven objetos o incluso humanos. Otros logran crear burbujas formando cubos, tetraedros y otras figuras y formas. A veces las burbujas se manipulan con las manos desnudas. Para mejorar la experiencia visual, a veces se llenan de humo , vapor o helio y se combinan con luces láser o fuego. Las pompas de jabón se pueden llenar con un gas inflamable como el gas natural y luego encenderlas.
Las burbujas se pueden utilizar eficazmente para enseñar y explorar una amplia variedad de conceptos incluso a niños pequeños. Flexibilidad, formación de colores, superficies reflectantes o espejadas, superficies cóncavas y convexas, transparencia, variedad de formas (círculo, cuadrado, triángulo, esfera, cubo, tetraedro, hexágono), propiedades elásticas y tamaños comparativos, así como las más esotéricas. propiedades de las burbujas enumeradas en esta página. Las burbujas son útiles para enseñar conceptos desde los 2 años hasta los años universitarios. Una profesora universitaria suiza, la Dra. Natalie Hartzell, ha teorizado que el uso de burbujas artificiales con fines de entretenimiento de niños pequeños ha demostrado un efecto positivo en la región del cerebro del niño que controla las habilidades motoras y es responsable de la coordinación con los niños expuestos a las burbujas. a una edad temprana mostrando habilidades de movimiento considerablemente mejores que aquellos que no lo eran. [14]
