¡Bienvenidos!
Todos hemos jugado con burbujas alguna vez cuando eramos niños, nos fascinaba su forma, sus colores y como se las llevaba el viento hasta explotar instantes después; nos entreteníamos tratando de lograr la burbuja más grande. Aunque ya no suelo jugar con burbujas me siguen pareciendo hermosas y a pesar de parecer simples ocultan muchos secretos que la física y la matemática intentan dilucidar.
¿Qué es una burbuja?
Una burbuja no es más que una película muy fina de agua jabonosa, cuya superficie esférica encierra un volumen de aire en su interior, a la vez que presenta un aspecto iridiscente.
Cuando inflamos una burbuja estamos jugando con nanotecnología, su membrana es imprescionantemente fina, si se pudiera agrandar una burbuja proporcionalmente al tamaño de nuestro planeta, su pared tendría sólo unos 10 metros de espesor.
A nivel molecular existen fuerzas que mantienen unida la "piel" de la burbuja.
Fuerzas intermoleculares.
Las fuerzas del agua
El agua es una sustancia imprescindible para la vida, nosotros estamos formados por alrededor de un 65% de agua.
El agua presenta una fuerza intermolecular muy potente llamada puente de hidrógeno. Esto le da sus particulares propiedades, como su punto de ebullición alto o su alta capacidad solvente.
Cada molécula de agua está formada por un oxígeno unido a dos hidrógenos.
El núcleo del átomo de oxígeno tiene 8 protones, mientras que el hidrógeno sólo tiene 1 protón. El núcleo de oxígeno tiene una carga mayor que el núcleo de hidrógeno, eso le confiere mayor electronegatividad (capacidad para mantener cerca a electrones).
Los átomos en una molécula se mantienen unidos gracias a que sus electrones están compartidos, pero el átomo de oxígeno al tener una mayor electronegatividad que los átomos de hidrógeno atrae a los electrones durante más tiempo dejando a los átomos de hidrógenos descubiertos, osea protones desnudos.
Esto genera una diferencia de carga en la molécula de agua, la transforma en un dipolo (algo similar a un imán)
Los átomos de oxígeno (rojo) tienen una carga parcial negativa, mientras los átomos de hidrógeno (amarillo) tienen una cagra parcial positiva. Logrando así el puente de hidrógeno, la atracción y cohesión entre distintas moléculas.
Las fuerzas en los tensioactivos.
Un tensioactivo es una sustancia que disminuye la tensión superficial del agua, al hacerlo permite que el agua se meta en lugares más pequeños para limpiar mejor.
Su estructura molecular le da estas propiedades, estan formados por dos partes, una cabeza soluble en agua y una cola no soluble en agua.
La cabeza es hidrófila, tiene afinidad por el agua. Esto se debe a que es polar y puede ser atraída por las fuerzas "magnéticas" del agua. En cambio la cola (cadena de carbonos) no es polar, así que no puede disolverse en agua, se dice entonces que es hidrófoba.
Un tensioactivo al encontrarse con agua se organiza de tal forma que las cabezas hidrófilas se orientan hacia el agua dejando las colas hidrófobas en la otra dirección.
Esta configuración puede formar diversas estructuras.
Todas las paredes celulares están formadas por fosfolípidos, grasas tensioactivas, y adoptan una configuración de liposoma o de bicapa lipídica.
Las fuerzas en la burbuja
La principal es la tensión superficial.
Esta propiedad de los líquidos se debe a que cada molécula atrae a las que la rodean, en el interior del líquido estas fuerzas se contrarrestan. En cambio en la superficie las fuerzas de cada molécula no pueden ser totalmente canceladas, provocando una fuerza neta hacia el interior del líquido. Tensionando la superficie.
El agua tiene una tensión superficial particularmente alta, esto se debe a que sus fuerzas intermoleculares son altas.
Las moléculas de la superficie tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido, dónde se encuentran más estables, por lo tanto el líquido trata de tener una superficie expuesta mínima. Esto se llama configuración de energía mínima, es la más estable.
Existe la idea equivocada de que el agua no tiene la tensión superficial necesaria para mantener una burbuja y que el jabón la incrementa, pero de hecho el jabón disminuye la intensidad de la tensión superficial -cerca de un tercio de la del agua pura. La tensión superficial del agua pura es demasiado fuerte para que se formen burbujas apreciables. Otro problema con el agua pura es la evaporación: la superficie rápidamente se vuelve finita, explotando la burbuja.
Al utilizar una solución de agua y un tensioactivo lo que se logra es bajar la tensión superficial del agua, las colas hidrófobas se orientan lejos del agua, encerrándola y no permitiendo que se forme el desequilibrio de fuerzas que tendrían si se encontraran en la superficie. Además impide que se evaporen dándole más durabilidad a la burbuja.
Lo que hace el tensioactivo es estabilizar la burbuja, impide que se formen zonas de muy poco espesor.
Esto ocurre mediante el efecto Marangoni: al estirarse la película de jabón, la concentración de jabón disminuye, lo que hace que aumente la tensión superficial, volviéndose a contraer. Así, el jabón refuerza selectivamente las partes más débiles de la pompa y evita que se estiren más.
Forma.
Su forma esférica también está causada por la tensión superficial. La tensión hace que la pompa forme una esfera porque la esfera tiene la menor área superficial para un volumen dado. Logrando exponer la menor cantidad de moléculas a la superficie.
Cuando dos burbujas se unen, se aplican los mismos principios físicos, y las burbujas adoptarán la forma con el menor área posible. Su pared común se desplazará e integrará con la burbuja de mayor tamaño, ya que las burbujas más pequeñas tienen una presión interna mayor. Si las burbujas son de igual tamaño, la pared será plana.
Las burbujas de jabón son ilustraciones físicas del complejo problema matemático de superficie mínima. Asumen la forma de menor superficie posible conteniendo un volumen dado.
Una superficie mínima helicoidal.
Esta información es utilizada en la arquitectura por su tendencia a formar estructuras estables.
El Cubo de Agua de Beijing.
Cualquier objeto que pueda romper la fina capa de agua desencadena la explosión de la burbuja. También debido a la gravedad, las moléculas de jabón tienden a irse a la parte inferior de la burbuja, dejando expuesta la parte superior, permitiendo la evaporación del agua.
Los colores de las burbujas
Uno de los aspectos más hermosos de las burbujas es su superficie iridiscente, de colores vivos y dinámicos. Uno podría pensar que se trata de un fenómeno similar a los arcoíris, pero en verdad es algo completamente distinto.
Los arcoiris se forman por la dispersión de los colores de la luz blanca al cambiar de un medio de cierta densidad, como el aire, a otro de distinta densidad, como el agua en una gota de lluvia.
La luz de distintos colores son ondas electromagnéticas de distinta energía, la luz más energética (del lado azul/violeta del espectro visible) se desvía más que la roja (del lado rojo del espectro visible).
Como podrán notar, la luz más energética tiene una longitud de onda menor que la menos energética (de longitud de onda mayor). La longitud de onda es la distancia que separa dos valles o dos picos consecutivos de la onda.
La capa de líquido que forma a las burbujas no tiene un grosor homogéneo, hay zonas de la burbuja más finitas que otras. De todas formas son extremadamente angostas, de alrededor de 1 micrómetro, o 1000 nanómetros. (Una milésima de milímetro).
Da la casualidad de que la longitud de onda de la longitud visible es similar al espesor de las burbujas.
El espectro de luz visible comprende a las ondas electromagnéticas de longitud de onda desde los 380 nm hasta los 780 nm.
Al entrar una onda de luz en contacto con una burbuja pueden ocurrir tres cosas: que la onda se refleje ni bien entra en contacto con la capa de agua y jabón; que la onda atraviese la superficie de la capa y se refleje en el interior; o que atraviese la capa sin reflejarse y siga su camino.
Dependiendo del grosor de esa zona en particular de la capa ciertos colores van a ser intensificados y otros cancelados mediante un fenómeno de las ondas llamado interferencia.
Si el grosor es un múltiplo entero de la longitud de onda de un rayo de luz, el rayo de luz que se refleja en la superficie externa se suma con el rayo de luz que se refleja en la superficie interna de la capa. Como las crestas de ambas ondas coinciden, al sumarse la onda final tiene mayor intensidad. Esto se conoce como interferencia constructiva.
Si en cambio el grosor de la capa no es un múltiplo entero entonces al sumarse las ondas reflejadas interna y externamente se disminuye su intensidad, hasta incluso pueden cancelarse totalmente, siendo invisible. Esto se llama interferencia destructiva.
La intereferencia de la luz es lo que provoca la variación de colores al variar el espesor de la burbuja. Los colores cambian al variar la perspectiva desde que se los ve, esto se debe a que la distancia que recorren dentro de la membrana es distinta a cada ángulo.
Cuando una burbuja se vuelve demasiado finita se vuelve transparente, osea que sólo amplifica la luz ultravioleta, invisible al ojo humano, y cancela todas las frecuencias visibles. Eso significa que está por explotar.
(Se debilita en la parte superior)
Imágenes
Como puedes ver, detrás de algo aparentemente tan sencillo como una simple burbuja de jabón se esconde una complejidad importante. Afortunadamente, no hace falta conocer nada de esto para que un niño pueda disfrutar con estas esferas flotantes y multicolores. De todas formas conocer algunos de sus secretos sólo puede aumentar su belleza.
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¡Espero que les haya gustado!
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