Burbuja de jabón - Soap bubble

Una pompa de jabón.
Una sola fotografía ligera de la burbuja de jabón tomada bajo fotografía macro.
Una sola pompa de jabón que muestra tres capas.
Chica soplando burbujas.
Varias burbujas forman espuma.

Una pompa de jabón es una película extremadamente fina de agua jabonosa que encierra aire y forma una esfera hueca con una superficie iridiscente . Las burbujas de jabón generalmente duran solo unos segundos antes de estallar, ya sea por sí solas o al contacto con otro objeto. A menudo se utilizan para el disfrute de los niños, pero también se utilizan en representaciones artísticas . Si se juntan varias burbujas, se forma 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 burbuja de jabón surgen de la interferencia de la luz que se refleja en las superficies frontal y posterior de la fina película de jabón. Dependiendo del grosor de la película, los diferentes colores interfieren constructiva y destructivamente.

Matemáticas

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 más adecuadamente con una película de jabón , que tiene la misma presión en el interior que en el exterior, por lo que es una superficie con una curvatura media cero . Una burbuja de jabón es una película de jabón cerrada: debido a la diferencia en el exterior y la presión interior, es una superficie de constante curvatura media.

Si bien se sabe desde 1884 que una pompa de jabón esférica es la forma de área mínima de encerrar un volumen dado de aire (un teorema de HA Schwarz ), no fue hasta el año 2000 que se demostró que dos pompas de jabón fusionadas proporcionan el óptimo forma de encerrar dos volúmenes dados de aire de diferente tamaño con la menor superficie. Esto se ha denominado la conjetura de la doble burbuja .

Debido a estas cualidades, las películas de pompas de jabón se han utilizado con una aplicación práctica para la 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 techado a tracción . Un ejemplo famoso es su pabellón de Alemania Occidental en la Expo 67 en Montreal.

Física

Fusión

Las pompas de jabón se pueden fusionar fácilmente.

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 en la burbuja más grande, ya que la más pequeña tiene una presión interna más alta que la más grande, como predice la ecuación de Young-Laplace .

En un punto en el que se encuentran tres o más burbujas, se clasifican solas de modo que solo se unen tres paredes de burbujas 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 burbujas pueden encontrarse en un punto, con las líneas donde se juntan los tripletes de las paredes de las 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.

Estabilidad

La longevidad de una pompa de jabón está limitada por la facilidad de rotura de la capa muy fina de agua que constituye su superficie, a saber, una película de jabón de un grosor micrométrico . Por tanto, es sensible a:

  • Drenaje dentro de la película de jabón: el agua cae por gravedad. Esto se puede ralentizar aumentando la viscosidad del agua, por ejemplo, agregando glicerol. Aún así, existe un límite máximo de altura, que es la longitud del capilar , muy alto para las pompas de jabón: alrededor de 13 pies (4 metros). En principio, no hay límite en la longitud que puede alcanzar.
  • Evaporación : Esto se puede ralentizar soplando burbujas en una atmósfera húmeda o agregando un poco de azúcar al agua.
  • Suciedad y grasa: cuando la burbuja toca el suelo, una pared o nuestra piel, suele romper la película de jabón. Esto se puede prevenir humedeciendo estas superficies con agua (preferiblemente que contenga algo de jabón).

Mojada

Una pompa de jabón humedeciendo una superficie ultrahidrofóbica
Una burbuja de jabón humedeciendo una superficie líquida.

Cuando una burbuja de jabón entra en contacto con un sólido o líquido, se observa humectación de la superficie . En una superficie sólida, el ángulo de contacto de la burbuja depende de la energía superficial del sólido. Una burbuja de jabón tiene un ángulo de contacto mayor en una superficie sólida que muestra ultrahidrofobicidad que en una superficie hidrófila; 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.

Medicamento

Dermatitis de contacto

La composición del líquido de las pompas de jabón tiene muchas recetas con ingredientes ligeramente diferentes. El más común contiene:

Debido a la presencia de jabón para lavavajillas, no es raro que los niños desarrollen dermatitis en la cara o las manos con consecuencias como erupciones, hinchazón de los ojos, vómitos y mareos.

Burbujas de jabón como computación no convencional

Las estructuras que hacen las películas de jabón no solo pueden encerrarse como esferas, sino prácticamente cualquier forma, por ejemplo, en marcos de alambre. Por lo tanto, se pueden diseñar muchas superficies mínimas diferentes. En realidad, a veces es más fácil hacerlos 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.

Burbujas en la educación

Las burbujas se pueden utilizar de forma eficaz para enseñar y explorar una amplia variedad de conceptos incluso para niños pequeños. Flexibilidad, formación de color, superficies reflectantes o espejadas, superficies cóncavas y convexas, transparencia, una variedad de formas (círculo, cuadrado, triángulo, esfera, cubo, tetraedro, hexágono), propiedades elásticas y tamaño comparativo, 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 los 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 burbujas en una edad joven que muestra habilidades de movimiento considerablemente mejores que aquellos que no lo eran.

Recreación

Usar en juego

Una mujer creando burbujas con una varita larga de pompas de jabón
Bubble Blowing en Dolores Park durante Dyke March , junio de 2019
Adriaen Hanneman , Dos niños soplando burbujas (ca.1630)

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 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 burbujas. La compañía Chemtoy de Chicago comenzó a vender solución de burbujas en la década de 1940, y la solución de burbujas 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.

Burbujas de colores

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 provoca interferencias . Esto crea una iridiscencia que, junto con la forma esférica y la fragilidad de la burbuja, contribuye a su efecto mágico en niños y adultos por igual. Cada color es el resultado de diferentes espesores de película de pompas de jabón. Tom Noddy (que aparece en el segundo episodio de Marcus du Sautoy 's El Código ) dio la analogía de mirar un contorno de mapa de las burbujas' superficie. Sin embargo, se ha convertido en un desafío producir burbujas coloreadas artificialmente.

Byron, Melody & Enoch Swetland inventaron una burbuja no tóxica patentada (Tekno Bubbles) que brilla bajo la luz ultravioleta. Estas burbujas se ven como burbujas "transparentes" ordinarias de alta calidad bajo iluminación normal, pero brillan cuando se exponen a la luz ultravioleta verdadera. Cuanto más brillante sea la iluminación ultravioleta, más brillan. La familia los vendió en todo el mundo, pero desde entonces ha vendido su empresa.

La adición de tinte de color a las mezclas de burbujas no produce burbujas de color, porque el tinte se adhiere a las moléculas de agua en lugar del surfactante. Por lo 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, lo que permite que se formen burbujas de colores brillantes. La lactona cristal violeta 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 comercializa en línea como Zubbles , que no son tóxicos ni manchan. En 2010, el astronauta japonés 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.

Congelación

Burbuja de jabón congelada en la nieve a -7 ° C (19 ° F).

Si se soplan burbujas de jabón en el 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 , haciendo que la burbuja se desmorone por su propio peso. A temperaturas por debajo de 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, la burbuja se congelará hasta convertirse en una esfera casi perfecta al principio, pero cuando el aire caliente se enfríe y se produzca una reducción de volumen, habrá 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. La congelación de las pompas de jabón pequeñas se produce en los 2 segundos posteriores a la puesta en la nieve (a una temperatura del aire de entre –10 ...– 14 ° C).

Arte

'Bubbleólogo' profesional en la Strawberry Fair 2009 en Cambridge , Reino Unido.
Burbujas de jabón en el centro de Budapest

Las representaciones de pompas de jabón combinan entretenimiento con logros artísticos. Requieren un alto grado de habilidad. Algunos artistas utilizan líquidos de burbujas comunes disponibles comercialmente, mientras que otros componen sus propias soluciones. Algunos artistas crean burbujas o tubos gigantes, a menudo envuelven objetos o incluso humanos. Otros logran crear burbujas formando cubos, tetraedros y otras formas y formas. A veces, las burbujas se manipulan con las manos desnudas. Para agregar a la experiencia visual, a veces se llenan de humo , vapor o helio y se combinan con luces láser o fuego. Las pompas de jabón pueden llenarse con un gas inflamable como el gas natural y luego encenderse.

Galería de artistas de la burbuja de jabón en el trabajo

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Oprea, John (2000). Las matemáticas de las películas de jabón: exploraciones con arce . Sociedad Americana de Matemáticas (1ª ed.). ISBN  0-8218-2118-0
  • Boys, CV (1890) Las pompas de jabón y las fuerzas que las moldean ; (Reimpresión de Dover) ISBN  0-486-20542-8 . Exposición clásica victoriana, basada en una serie de conferencias impartidas originalmente "ante un público juvenil".
  • Isenberg, Cyril (1992) La ciencia de las películas de jabón y las burbujas de jabón ; (Dover) ISBN  0-486-26960-4 .
  • Noddy, Tom (1982) "La magia de la burbuja de Tom Noddy" Las explicaciones del artista pionero de la burbuja crearon el arte de la interpretación moderna.
  • Stein, David (2005) "Cómo hacer burbujas monstruosas, enormes e increíblemente grandes"; (Klutz) Anteriormente "The Unbelievable Bubble Book" (1987) inició el deporte de las burbujas gigantes. ISBN  978-1-57054-257-2

enlaces externos