Bule de sapun

O balon de săpun

O fetiță cu un balon uriaș de săpun

Un balon de săpun este un strat subțire de sapun de apa care se formează o sferă cu o iridescent suprafață. Bulele de săpun rămân deseori în formațiune sferică doar câteva secunde, fie izbucnesc singure, fie după contactul cu alte obiecte capabile să absoarbă lichidul care le înconjoară. În general, acestea sunt folosite ca distracție pentru copii, dar exploatarea lor în spectacole artistice profesionale demonstrează capacitatea lor de a fascina și adulții. Bulele de săpun ne pot ajuta, de asemenea, să rezolvăm probleme matematice complexe referitoare la spațiu, deoarece acestea reprezintă întotdeauna cea mai mică suprafață întinsă între două puncte sau două margini și, mai presus de toate, conceptul de " sferă perfectă ".

Tensiunea superficială și forma

O bulă poate exista deoarece stratul de suprafață al unui lichid (foarte des apă) are o anumită tensiune superficială , ceea ce îl determină să se comporte similar cu o foaie elastică. Cu toate acestea, o bulă făcută numai din lichid pur nu este stabilă și un agent tensioactiv, cum ar fi săpunul, trebuie dizolvat în el pentru a-l stabiliza. Un concept obișnuit, dar incorect, este acela că săpunul crește tensiunea superficială a apei. Opusul este adevărat, adică săpunul scade tensiunea superficială a apei la suprafață la aproximativ 1/3. Săpunul nu întărește bulele, dar le stabilizează grație unui fenomen cunoscut sub numele de efect Marangoni . Pe măsură ce pelicula de suprafață a bulei se întinde și se subțiază (de exemplu, atunci când o bulă se umflă), concentrația de săpun din film scade și acest lucru determină o creștere a tensiunii superficiale. Astfel, săpunul întărește părțile mai slabe ale bulei și tinde să nu-l facă să crească în continuare. Săpunul reduce, de asemenea, evaporarea, permițând bulei să dureze mai mult, deși acest efect este relativ slab.

Reflectarea unui nor într-un balon de săpun

Forma sferică se datorează și tensiunii superficiale. Tensiunea superficială duce la formarea unei sfere deoarece are cea mai mică suprafață pentru un volum dat. Forma poate fi vizibil distorsionată de curenții de aer și, prin urmare, de inflare. Cu toate acestea, dacă o bulă este lăsată liberă în aer în repaus, forma ei rămâne mai mult sau mai puțin sferică, cum ar fi picăturile de ploaie descrise în picturi. Când un corp este aruncat într-un fluid, la un anumit punct capătă o viteză definitivă, atunci când aceasta apare, forța de tracțiune (de exemplu, forța de greutate a unui obiect căzut în aer de la o anumită înălțime) care acționează asupra acestuia este egală cu greutate. Deoarece greutatea unei bule este mult mai mică, având în vedere dimensiunea acesteia, comparativ cu cea a unei picături de ploaie, deformarea suferită de aceasta va fi mai mică (tensiunea superficială care se opune distorsiunii este similară în cazurile exemplificate: săpunul reduce tensiunea superficială a apa la mai mult sau mai puțin 1/3 dar trebuie să considerăm că bula are o suprafață internă și una externă, motiv pentru care tensiunea superficială redusă de săpun trebuie în orice caz dublată). Chiar și suprafețele mai subțiri care sunt produse și prin evaporarea apei absorb galbenul care reflectă albastrul și mai târziu (chiar și suprafața mai subțire) absorb verdele care reflectă magenta și absorb albastrul care reflectă galbenul auriu. În cele din urmă, filmul devine atât de mic încât nu mai reflectă lumina.

Congelare

Balon de săpun congelat

Bulele de săpun produse în aer cu temperaturi sub -15 ° C (5 ° F) vor îngheța imediat ce ating o suprafață. Aerul din interior se va difuza treptat, provocând prăbușirea bulei sub propria greutate. La temperaturi sub -25 ° C (-13 ° F), bulele vor îngheța în aer și se pot sparge la atingerea solului. Când la o temperatură atât de scăzută, bulele sunt umflate cu aer fierbinte la început, ele înghețează într-o formă perfect sferică, dar când aerul din interiorul lor se răcește și astfel scade volumul, vor suferi un colaps parțial. O bulă umflată cu succes la această temperatură scăzută va fi întotdeauna destul de mică: va îngheța rapid și va exploda dacă o tot umflați.

Fuziune

Bule de săpun topite

Când două bule se îmbină, se aplică principiile obișnuite, iar bula rezultată va lua forma cu cea mai mică suprafață posibilă. Suprafața lor comună va avea ca rezultat o lovitură a celei de-a doua bule, deoarece bulele mai mici au o presiune internă mai mare (această transformare este cunoscută sub numele de maturare Oswald și este cauzată de diferențele de presiune dintre două bule cu raze diferite la fel cum a prezis ecuația lui Young- Laplace). Dacă bulele au aceeași dimensiune, suprafața comună ambelor va fi plană. La un moment dat, când trei sau mai multe bule se întâlnesc, formează un perete comun de-a lungul unei singure linii (rupt sau nu). Deoarece tensiunea superficială este aceeași în toate cele trei suprafețe, cele trei unghiuri pe care le formează între ele trebuie să fie de 120 °. Acesta este evenimentul cel mai logic, deoarece acest aranjament permite o mai bună distribuție a tensiunilor dintre bule, din același motiv, celulele unui organism viu își asumă de asemenea această distribuție, care îi conferă forma generală a unui hexagon.

Interferență și reflecție

Culorile irizate ale bulei de săpun sunt cauzate de interacțiunea cu lumina soarelui, în special datorită subțirii filmului.

Iridescența suprafeței bulei

Când lumina lovește filmul, unele raze sunt reflectate de la suprafața exterioară a filmului, în timp ce altele pătrund în interior și sunt reflectate numai după ce au suferit o abatere. Reflecția observată este generată de toate aceste reflecții și interferența lor. Fiecare încrucișare a filmului de către o undă de lumină face ca acesta să sufere o defazare proporțională cu grosimea filmului și cu frecvența fasciculului de lumină și dependentă de unghiul de observare. Interferența poate fi constructivă pentru unele lungimi de undă și distructivă pentru altele, în funcție de grosimea filmului. O schimbare vizibilă a culorii la suprafață poate fi observată atunci când pelicula cu bule se subțiază din cauza fenomenelor locale, cum ar fi evaporarea.

Aceasta înseamnă că o bulă de săpun care plutește în atmosferă, pe măsură ce apa prezentă de-a lungul suprafeței sale se evaporă în timp, reflectă și absoarbe lungimi de undă diferite în momente diferite. Filmele mai subțiri absorb lumina roșie (lungime de undă mai mare) și reflectă albastru-verde (lungime de undă mică). Chiar și filmele mai mici absorb galbenul și reflectă albastru și chiar și cele mai mici absorb culoarea verde și reflectă magenta și absorb albastrul reflectând galbenul auriu. În cele din urmă, atunci când filmul devine atât de subțire încât să fie comparabil cu lungimea de undă a razei incidente, nu există reflexie, astfel încât bula să nu prezinte culoare. În acest stadiu, suprafața bulei are o grosime de aproximativ 25 nm și este pe cale să explodeze. În realitate, grosimea filmului variază continuu, deoarece gravitația deplasează lichidul în jos. Acesta este motivul pentru care benzile de culoare sunt adesea văzute în partea de jos a balonului. ^{[ fără sursă ]}

Deoarece interferența depinde de unghiul de observare, chiar dacă suprafața bulei are o grosime uniformă, se pot observa variații de culoare datorită razei de curbură sau a oricăror mișcări.

Bibliografie

Michele Emmer, Bule de săpun: o călătorie prin artă, știință și fantezie , Noua Italia, 1991, ISBN 88-221-0997-X .
Michele Emmer, Bule de săpun: între artă și matematică , Bollati Boringhieri , 2009, ISBN 978-88-339-2023-8 .