Frumusețea unei bule de săpun - Naukas
Știință, scepticism și umor
Faceți un balon de săpun și priviți-l: chiar dacă vă dedicați întreaga viață studierii acestuia, nu veți înceta să trageți din ea noi învățături de Fizică.
În copilărie, îi plăcea să sufle bule de săpun, contemplând frumusețea culorilor, fragilitatea. Acum, datorită științei pe care o conțin, mi se par și mai frumoase.
În această postare, vă invit să împărtășiți cu mine acest nou look.
Definiție
O bulă de săpun * este o peliculă extrem de subțire de apă cu săpun care cuprinde o anumită cantitate de aer, formând o sferă goală a cărei suprafață este irizată.
Extraordinarul subțire al peretelui fastului, precum și instabilitatea structurii sale, pe care mă voi concentra mai târziu, înseamnă că, în condiții obișnuite, existența sa este scurtă, de câteva secunde, fie prin ruperea spontană, fie prin contact cu vreun obiect. Cu toate acestea, este posibil să se obțină bule care, tratate corespunzător, durează luni și chiar ani.
Proprietăți foarte similare au pelicule de săpun care nu conțin aer sau gaz și constau din foi extra-subțiri a căror margine este susținută de fire sau alte medii conformate corespunzător, în funcție de forma foii care urmează să fie obținută.
Din cele mai vechi timpuri, bulele de săpun au fost un element jucăuș, ușor de făcut și ieftin, care este foarte atractiv datorită culorii sale extraordinare; chiar și momentul pauzei oferă o anumită spectacularitate.
Nu este dificil să găsești referințe la „bule” în arte, atât în pictură, cât și în literatură, făcând aluzie la ușurința, frumusețea, fragilitatea și trecerea lor. Astfel scrie Antonio Machado:
Nu am urmărit niciodată gloria,
nici lăsați în memorie
de oameni cântecul meu;
Iubesc lumile subtile,
fără greutate și blând,
ca spuma de săpun.
Și Roberto Goyeneche (El Polaco) are printre hiturile sale tangoul «Pompas de soap» cu muzică de Roberto Goyheneche și versuri de Enrique Cadícamo
Reușiți pentru că abia sunteți
embrion de carne obosit
și de ce râsul tău
este o modulare dulce.
Când sunt neobosit, anii,
te injectează cu amărăciunea lor ...
vei vedea că lucrurile tale nebunești
erau bule de săpun.
Structura
„Pielea” bulei constă dintr-un strat subțire de apă prins între două straturi de molecule de surfactant, adesea săpun. Pentru a înțelege fenomenele care permit formarea acestei structuri, va trebui să vorbim despre surfactanți și despre fenomenul fizic care apare pe suprafața liberă a lichidelor, cunoscută sub numele de tensiune superficială.
Moleculele care alcătuiesc o substanță în repaus, lichide sau solide, sunt atrase una de cealaltă de forțele de coeziune care împiedică transformarea corpurilor în praf foarte fin sau în picături mici de lichid ca o ceață. Coeziunea este o proprietate intrinsecă a fiecărei substanțe, care depinde de forma și structura moleculelor sale și se datorează modificărilor orbitelor electronilor ultraperiferici atunci când se apropie suficient, ceea ce creează o atracție de natură electrică care menține structura a materialului.
Tensiunea superficială este o consecință a forței de coeziune intermoleculare.
Figura 02: Tensiunea superficială cauzată de forța de coeziune
Imaginați-vă o moleculă a unui lichid care este scufundată și înconjurată de numeroase molecule identice. Veți experimenta forța atractivă a tuturor celorlalte, care vă înconjoară în toate direcțiile și, în consecință, rezultanta va fi zero, adică nu veți percepe nicio forță. Pe de altă parte, unul care se află la suprafață primește doar forțe care îl trag spre centru și laturi (forța exercitată de moleculele de aer este absolut neglijabilă datorită densității lor scăzute), deci este evident că va exista o plasă rezultată îndreptată spre centru. În aceste condiții, lichidul încearcă întotdeauna să extragă moleculele de suprafață și să le direcționeze spre centru și să dea suprafeței limită forma care conține cele mai puține molecule posibile. Lichidul tinde să-și minimizeze suprafața și acest fenomen este ceea ce cunoaștem ca tensiune superficială.
Cu alte cuvinte, pentru un anumit volum de lichid, liber să-și configureze suprafața, forma pe care o adoptă corespunde cu cea a ariei minime. În absența gravitației, forma care minimizează suprafața este sferică. Cu alte cuvinte, suprafața își asumă starea de energie minimă pentru un volum dat.
Până acum ne-am ocupat de lichide în general, dar în cazul bulelor de săpun lichidul este apă, de obicei cu o mică proporție din alte substanțe, al căror rol va fi explicat mai târziu. Ei bine, se dovedește că, în cazul apei, forța de coeziune - și, în consecință, tensiunea sa superficială - sunt anormal de mari datorită caracterului său puternic polar.
Figura 03: Caracterul bipolar al moleculei de apă
Molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, iar atomii, la rândul lor, sunt alcătuite dintr-un nucleu pozitiv în jurul căruia se mișcă un nor de electroni. Oxigenul are o electronegativitate mai mare decât hidrogenul, adică, combinat cu hidrogenul are o capacitate mai mare de a atrage electroni către sine.
În consecință, norul de electroni se va deplasa spre atomul de oxigen, care produce un pol negativ în această parte și un pol pozitiv pe partea de hidrogen. Prin urmare, deși la nivel global molecula este neutră, local, la distanțe foarte mici, ea acționează ca un dipol, în același mod în care un magnet s-ar comporta prin înlocuirea polilor magnetici cu cei electrici.
Figura 04: Interacțiunea dintre moleculele de apă
Moleculele de apă se atrag reciproc electrostatic - acest lucru este cunoscut sub numele de legătură de hidrogen - datorită naturii lor bipolare și acest lucru permite suprafeței lichidului să acționeze ca o membrană elastică.
Prin urmare, se pare că avem un lichid potrivit pentru suflarea bulelor sau așezarea membranelor de apă fără probleme majore. Dar dacă facem testul, rezultatul este absolut dezamăgitor, bulele izbucnesc imediat. Acest lucru se datorează mai multor cauze, dar cele mai importante sunt acțiunea gravitației, atracția dintre moleculele de apă în sine și evaporarea.
Figura 05: Secțiunea unei bule care arată efectul gravitației
Așa cum se arată în tăierea unei pompe reprezentată în figura 05, acțiunea gravitațională împinge apa în jos, determinând partea inferioară a pompei să fie mai groasă decât partea superioară. Acest fenomen este progresiv în timp și durează până când subțierea extremă a peretelui superior provoacă ruperea acestuia.
Dar acesta nu este singurul efect al subțierii peretelui în partea de sus. Am văzut deja că moleculele de apă se atrag reciproc datorită naturii lor polare, astfel încât atunci când filmul este suficient de subțire, apare o forță de atracție între cele două fețe ale filmului care expulzează moleculele de apă conținute între ele. Acest efect se adaugă gravitației și accelerează pauza în faza sa finală.