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.

atunci când
Figura 01: Adriaen Hanneman Doi băieți suflând bule (aprox. 1630)

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.

Cea mai simplă soluție este dizolvarea unei anumite cantități dintr-o substanță activă la suprafață, cum ar fi săpunul, în apă. Rezultatul este, în orice caz, o reducere a tensiunii superficiale cu până la o treime din valoarea inițială a apei pure.

Vreau să subliniez că în timpul următoarei explicații mă voi referi la săpun, deoarece este cea mai veche și cea mai utilizată substanță istorică, dar pot fi folosite și alte substanțe aparținând grupului numite surfactanți care oferă proprietăți și rezultate similare, dacă nu superioare.

Revenind la săpun, vom spune că este o sare, de obicei sodică sau potasică, a unei lipide de origine vegetală (ulei) sau de origine animală (grăsime). Molecula de săpun, ca substanță tensioactivă, are particularitatea de a se putea amesteca cu apă și cu grăsimi sau uleiuri, deși acestea nu sunt miscibile între ele. Structura moleculară a săpunului constă dintr-o parte polară hidrofilă (capul) și o coadă hidrofobă nepolare (de obicei un lanț organic cu 12 până la 18 atomi de carbon). Adică, capul atrage apa în timp ce coada o respinge.

Figura 06: Structura moleculară a săpunului

În apa cu săpun, săpunul tinde să se concentreze pe suprafața amestecului, deoarece partea nepolare a moleculei nu se va amesteca cu apa și va fi împinsă în afară. Prin urmare, coada nepolare va fi orientată într-o direcție radială, departe de suprafață.

Figura 07: Structura simplificată a unei pompe și a căii de raze de lumină

Figura arată concentrația săpunului pe suprafețele interioare și exterioare ale unei bule, precum și traiectoria unui fascicul de lumină care îl lovește, despre care vom discuta mai târziu. Unele molecule de săpun au fost omise pentru claritate.

Pelicula de apă cu săpun suferă, de asemenea, subțierea părții sale superioare datorită efectului gravitațional, dar, în regiunile subțiri, apare o repulsie electrostatică din cauza sarcinilor negative ale capetelor polare, care chiar pot compensa acțiunea gravitațională și cele menționate anterior. atracție. anterior. Astfel, adăugarea săpunului corectează sau cel puțin ameliorează primele două cauze de distrugere indicate.

Figura 08: Secțiunea unui perete vertical care arată efectul gravitațional și repulsia electrostatică

Moleculele de săpun localizate la suprafață vor deplasa moleculele de apă spre centrul membranei lichide, prin urmare tensiunea superficială va scădea, cu cât este mai mare prezența moleculelor de apă. Când nu se mai potrivesc molecule de săpun pe suprafață, acestea pătrund în lichid formând grupuri mici numite micele.

Diferențele de tensiune superficială în diferite regiuni ale balonului, datorate neregulilor din distribuția locală a apei/săpunului, determină redistribuirea săpunului, reducând aceste diferențe. Acesta este modul în care săpunul stabilizează fastul și acest fenomen, numit efect Marangoni, este cel care permite pompei să se umfle fără a o distruge, evitând temporar consecințele acțiunilor menționate mai sus. În plus, prin acoperirea suprafeței bulei, săpunul - care nu este volatil - întârzie pierderea de apă prin evaporare.

Ca o curiozitate, spune-ți că se spune că iubitorul de bule de săpun Eiffel Plasterer a reușit să-l facă să dureze mai mult de un an! Cu toții am experimentat dificultatea pe care o implică acest lucru și anume că, pentru a obține astfel de bule de lungă durată, este necesară o „rețetă” specială pentru cantitățile de apă și surfactant care o compun. Din păcate, Eiffel și-a păstrat întotdeauna secretul.

În acest moment, cu o vedere mai completă a structurii unei pompe, putem completa definiția acesteia:

O bulă de săpun poate fi considerată ca o foaie de apă extrem de subțire, intercalată între două straturi de molecule de săpun. Aerul conținut în pompă adaugă o presiune din interior care este compensată de presiunea atmosferică din exterior, la care se adaugă presiunea exercitată de filmul însuși, cauzată de tensiunea superficială. Ca o consecință a tensiunii superficiale menționate, suprafața pompei își asumă, în absența forțelor externe, forma sferică care corespunde stării de energie superficială mai mică (raport minim suprafață/volum).

Colorat

Culorile frumoase, vii și schimbătoare pe care ni le oferă bulele de săpun nu se datorează niciunui colorant, a cărui eficacitate ar fi practic nulă datorită subțirii extreme a peretelui, ci sunt o consecință a aranjamentului „sandwich” al filmelor apă săpun -săpun și se datorează fenomenului cunoscut sub numele de interferență. Lichidul folosit pentru suflarea bulelor are aproape nicio culoare și, în orice caz, este irelevant.

Să ne întoarcem la figura 07 și să observăm calea unei raze de lumină. Emis de o sursă, lovește stratul exterior de săpun unde este parțial reflectat, mergând spre ochiul observatorului și parțial este refractat și trece prin stratul de apă pentru a ajunge la suprafața cea mai interioară. Acolo, la găsirea stratului interior de săpun, acesta se împarte din nou și o parte este refractată și pierdută în fața observatorului și alta este reflectată, trece din nou prin stratul mijlociu de apă și în cele din urmă se refractează la interfața exterioară săpun-aer și direcționează observatorul de-a lungul unei căi paralele cu cea a razei primare reflectate.

Figura 09: Trajectorii succesive de raze

Figura 09 prezintă o extindere a zonei de interes. În el putem aprecia cum se descompune raza incidentă, refracțiile conform legii lui Snell și reflecțiile speculare succesive de ordinul doi și superior. De fapt, atunci când privim o bulă, este apreciată doar raza primară reflectată OB iar raza secundară DC. Razele succesive nu sunt vizibile datorită atenuării intense care apare în reflecțiile și refracțiile ulterioare.

Este evident că raza reflectată de la suprafața interioară parcurge o distanță mai mare decât raza reflectată direct de la suprafața exterioară, diferența fiind aceea dintre lungimile căilor optice EO Da OFD. Luând în considerare indicele de refracție al aerului (n1 = 1) și cea a soluției de săpun (nDouă = 1,4), diferența de lungime ∆l este:

Mai mult, conform legii lui Snell:

înlocuind expresiile lor EO, ​​OF și FD în funcție de unghiuri și grosime și din pompa se obține o expresie de tipul:

Cu alte cuvinte, cea mai mare lungime parcursă de raza secundară este o funcție de:

  1. Unghiul de incidență al fasciculului de lumină,
  2. Grosimea filmului și
  3. Indicii de refracție (în cazul aerului ca mediu, n1= 1 și poate varia numai n2 prin concentrația diferită de săpun în diferite părți ale filmului).

Cu aceste trei variabile, valoarea valorilor pe care le poate lua diferența de călătorie este evident enormă. Să vedem acum cum își au originea culorile fastului și de ce se schimbă.

Cele două raze OB și DC sunt paralele și foarte apropiate, astfel încât atunci când lovesc un punct (pe retina noastră) și se recombină, produc fenomenul cunoscut de interferență între unde. Când două raze interferează sincronizate, astfel încât vârfurile și văile (strict vorbind, ar trebui să spunem maxime și minime) să coincidă mai mult sau mai puțin exact, amplitudinile lor se adună și cea rezultată este întărită. În cazul sincronizării complete, se spune că razele sunt în fază, iar amplitudinea maximă rezultată este suma amplitudinilor maxime individuale. În acest caz vorbim de interferență constructivă. Distanța dintre două creste sau văi succesive se numește lungime de undă, este reprezentată de litera greacă λ și este o caracteristică fundamentală a oricărui val.

Figura 10: Interferența constructivă

Dacă, dimpotrivă, maxime și minime se confruntă, amplitudinea rezultatului este diferența, care în cazul extrem al opoziției totale (în opoziție de fază) poate chiar anula semnalul combinat. Aceasta este așa-numita interferență distructivă ilustrată în figura 11.

Figura 11: Interferențe parțial distructive

Astfel, dacă undele sunt în fază, semnalul este întărit și dacă sunt în opoziție, acesta este slăbit sau anulat. Nu este dificil de văzut că sincronizarea are loc atunci când lungimile de undă coincid și diferența de cale ∆l are o lungime egală cu zero sau un număr întreg de lungimi de undă (N λ) Anularea apare atunci când diferența de căi este un număr de jumătate întreg de lungimi de undă (N λ/2).

∆l = N λ + λ/2 = (N + 1) λ/2 -> Condiție pentru interferență constructivă

În rezumat, irizarea, adică succesiunea culorilor frumoase și sugestive în timp, se datorează variației parametrilor care determină traseul razelor:

În această postare am dezvoltat doar o parte din toată știința conținută într-un balon de săpun. Sper că v-a servit pentru a vă arăta că a cunoaște ceva mai în profunzime, a înțelege ce se întâmplă, îl face doar și mai fascinant.

* La început articolul a folosit termenii pomp și balon ca sinonime, deoarece acesta din urmă este modul în care bulele de săpun sunt cunoscute în Ecuador, Peru, Mexic, Argentina, Chile, Uruguay și alte țări din America Latină. Dar, după comentariul lui Claudi Mans și pentru a nu duce la erori, am ales să unific totul prin pompe.

Bibliografie

Walker, J., «Atelier și laborator», Cercetare și știință, nr. 28, noiembrie 1978, pp. 156-162