Una pompa de jabón (comúnmente llamada simplemente burbuja ) es una película extremadamente fina de jabón o detergente y agua que encierra aire y forma una esfera hueca con una superficie iridiscente . Las pompas de jabón suelen durar solo unos segundos antes de estallar, ya sea por sí solas o al entrar en contacto con otro objeto. Se suelen utilizar para la diversión de los niños, pero también se utilizan en representaciones artísticas . Al juntar muchas pompas se obtiene espuma .
Cuando la luz incide sobre una burbuja, parece cambiar de color. A diferencia de los colores que se ven en un arcoíris, que surgen de la refracción diferencial, los colores que se ven en una burbuja de jabón surgen de la interferencia de las ondas de luz , que se reflejan en las superficies frontal y posterior de la fina película de jabón. Según el grosor de la película, los diferentes colores interfieren de forma constructiva y destructiva.
Las burbujas de jabón son ejemplos físicos del complejo problema matemático de la superficie mínima . Adoptarán la forma de la menor área de superficie posible que contenga un volumen dado. Una verdadera superficie mínima se ilustra de manera más adecuada con una película de jabón , que tiene la misma presión en ambos lados, lo que se convierte en una superficie con curvatura media cero . Una burbuja de jabón es una película de jabón cerrada: debido a la diferencia entre la presión exterior e interior, es una superficie de curvatura media constante .
Si bien se sabe desde 1884 que una burbuja de jabón esférica es la forma de encerrar un volumen de aire dado con el menor área (teorema de HA Schwarz ), no fue hasta el año 2000 que se demostró que dos burbujas de jabón fusionadas proporcionan la forma óptima de encerrar dos volúmenes de aire dados de diferente tamaño con el menor área de superficie. Esto se ha denominado la conjetura de la doble burbuja . [1]
Debido a estas cualidades, las películas de burbujas de jabón se han utilizado en aplicaciones prácticas para la resolución de problemas. El ingeniero estructural Frei Otto utilizó películas de burbujas de jabón para determinar la geometría de una lámina de área superficial mínima 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 se pueden encerrar simplemente en esferas, sino en 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 hacerlas físicamente que calcularlas mediante modelos matemáticos . Es por eso que las películas de jabón se pueden considerar como 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 áreas superficiales 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 se abulta hacia el interior de 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 en el que se encuentran tres o más burbujas, se ordenan de modo que solo tres paredes de burbuja se encuentran a lo largo de una línea. Dado que 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 burbuja pueden encontrarse en un punto, con las líneas donde se encuentran los tripletes de paredes de burbuja 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 con que se rompe la finísima capa de agua que constituye su superficie, es decir, una película de jabón de un micrómetro de espesor . Por lo tanto, es sensible a:
Después de realizar experimentos, los investigadores descubrieron que una solución que contenía:
dio los resultados más duraderos ya que minimizó el efecto Marangoni . [6]
Cuando una burbuja de jabón está 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 burbuja de jabón tiene un ángulo de contacto mayor en una superficie sólida que muestra ultrahidrofobicidad que en una superficie hidrófila – ver Humectación . En una superficie líquida, el ángulo de contacto de la burbuja de jabón depende de su tamaño – las burbujas más pequeñas tienen ángulos de contacto menores. [9] [10]
El gas dentro de una burbuja es menos denso que el aire porque está compuesto principalmente de 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, salen 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 desprenden de estas atracciones y se separan aún más.
Cuanto más separadas estén las moléculas de agua, menos densas serán. 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 mismo se mueven más rápido, lo que hace que se dispersen y se vuelvan menos densas. Lo contrario también es cierto. A medida que disminuye la temperatura de un gas, las moléculas del mismo se mueven más lentamente, lo que hace que se aglomeren y se vuelvan más densas.
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 soplando pompas 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 pompas. La empresa de Chicago Chemtoy comenzó a vender solución para pompas en la década de 1940, y la solución para pompas ha sido popular entre los niños desde entonces. Según una estimación de la industria, los minoristas venden alrededor de 200 millones de botellas al año. El líquido lavavajillas con agua e ingredientes adicionales como glicerina y azúcar se utiliza como una alternativa popular a una solución para pompas ya preparada. [11]
Una burbuja está hecha de agua transparente que encierra aire transparente. Sin embargo, la película de jabón es tan fina como la longitud de onda de la luz visible , lo que produce interferencias ópticas . Esto crea 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 grosores de la película de burbujas 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, se ha convertido en un desafío producir burbujas coloreadas artificialmente.
Byron, Melody y Enoch Swetland inventaron una burbuja no tóxica patentada (Tekno Bubbles) [12] que brilla bajo la luz ultravioleta. Estas burbujas parecen burbujas "transparentes" comunes y corrientes de alta calidad bajo una luz normal, pero brillan cuando se exponen a la luz ultravioleta real. Cuanto más brillante sea la luz ultravioleta, más brillan. La familia las vendió en todo el mundo, pero luego vendió su empresa.
Añadir un colorante a las mezclas de burbujas no produce burbujas de colores, porque el colorante se adhiere a las moléculas de agua en lugar de al surfactante. Por lo tanto, se forma una burbuja incolora con el tinte cayendo a un punto en la base. El químico de colorantes Dr. Ram Sabnis ha desarrollado un colorante de lactona que se adhiere a los surfactantes, lo que permite 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 la presión o al oxígeno, que ahora está comercializando en línea como Zubbles , que no son tóxicas y no 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 el entorno de baja gravedad.
Si se lanzan pompas de jabón al aire a una temperatura inferior a -15 °C (5 °F ), se congelarán al tocar una superficie . El aire del interior se difundirá gradualmente hacia afuera, haciendo que la burbuja se desmorone por su propio peso. A temperaturas inferiores a unos -25 °C (-13 °F), las burbujas se congelarán en el aire y pueden romperse al tocar el suelo. Cuando se lanza una burbuja con aire caliente, la burbuja se congelará hasta formar una esfera casi perfecta al principio, 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 aumenta aún más. [13] La congelación de las pompas de jabón pequeñas se produce en los 2 segundos siguientes a su asentamiento en la nieve (a una temperatura del aire de entre -10 y -14 °C). [14]
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Las representaciones con pompas de jabón combinan el entretenimiento con el logro artístico y requieren un alto grado de habilidad. [ cita requerida ] Algunos artistas utilizan líquidos para hacer pompas de jabón que se encuentran disponibles comercialmente, mientras que otros componen sus propias soluciones. Algunos artistas crean pompas o tubos gigantes, que a menudo envuelven objetos o incluso personas. Otros logran crear pompas que forman cubos, tetraedros y otras formas. A veces, las pompas se manipulan con las manos desnudas. Para aumentar la experiencia visual, a veces se llenan con 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 encenderse.
Entre los artistas profesionales de burbujas se incluyen Tom Noddy , Fan Yang y The Amazing Bubble Man .
Las burbujas se pueden utilizar de forma eficaz 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, una variedad de formas (círculo, cuadrado, triángulo, esfera, cubo, tetraedro, hexágono), propiedades elásticas y tamaños comparativos, así como las propiedades más esotéricas de las burbujas que se enumeran en esta página. Las burbujas son útiles para enseñar conceptos a partir de los 2 años y durante los años universitarios. Una profesora universitaria suiza, la Dra. Natalie Hartzell, ha teorizado que el uso de burbujas artificiales para 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, y los niños expuestos a burbujas a una edad temprana muestran habilidades de movimiento considerablemente mejores que los que no lo fueron. [15]
