Los fascinantes y coloridos secretos de la física que esconden las pompas de jabón

27/10/2018 - 20:56:54
BBC.- Para los ni�os, las pompas de jab�n son una diversi�n. Para muchos de nosotros, son incre�blemente hermosas. Para los conocedores, son herramientas incre�blemente poderosas que est�n expandiendo el horizonte de la ciencia.

A pesar de ser et�reas y estar hechas de las sustancias m�s mundanas -jab�n, aire y agua-, est�n repletas de secretos y sorpresas.

Por eso han maravillado a los cient�ficos por siglos.

Qu� es el salto hidr�ulico, el fen�meno observado por Leonardo da Vinci que s�lo ahora lograron explicar

"Haz una burbuja de jab�n y obs�rvala. Puedes estudiarla toda tu vida y obtendr�s una lecci�n de f�sica tras otra", aconsej� el famoso f�sico del siglo XIX Lord Kelvin.

Kelvin estaba fascinado por la forma en que la delicada piel de la burbuja afectaba el comportamiento de la luz.

Y, en particular, por los bellos colores que revelaba.
Derechos de autor de la imagen Science Photo Library
Image caption Si las observas de cerca, no s�lo los colores sino los patrones son interesantes.

Los fant�sticos patrones que ves en las pompas est�n ah� porque la pel�cula de jab�n es muy delgada, solo mide unas pocas cent�simas del di�metro de un cabello humano.

Eso significa que la pel�cula de jab�n tiene aproximadamente el mismo grosor que una sola longitud de onda de luz visible.

Y los diferentes colores en la pel�cula corresponden a diferentes longitudes de onda de la luz en el espectro.

"�C�mo es posible?", se preguntaba no s�lo Kelvin, sino muchos otros cient�ficos: "�C�mo puede existir algo tan delgado?".
Gota a gota

La respuesta tiene que ver con la extra�a naturaleza de algo muy cotidiano... el agua.

Y con la formaci�n de gotas.

Como puedes ver en estas gotitas, el agua est� como recogida al interior de una especie de capa invisible y eso sucede porque las mol�culas de agua de la superficie est�n siendo haladas hacia el interior con mucha fuerza.

El agua se comporta como si estuviera cubierta con una piel el�stica, y a eso se le llama tensi�n superficial.

La tensi�n superficial es una de las fuerzas m�s delicadas e intrigantes de toda la naturaleza y su raz�n de ser est� en la forma de la mol�cula de agua.

Porque algo curioso sucede cuando los �tomos de los que est� hecha una de estas mol�culas se unen.

Cuando los hidr�genos se unen al ox�geno, la mol�cula no queda recta, sino con un retorcimiento, y en general, un lado de la mol�cula tiene una carga ligeramente positiva y el otro tiene una ligera carga negativa.

Cuando otras mol�culas de agua se acercan, el lado positivo de una se siente atra�do por los lados negativos de las otras, y viceversa. Y los enlaces que forman entre s� son muy fuertes.

Esos enlaces hacen que las mol�culas en el cuerpo del agua sean haladas con la misma fuerza en todas direcciones.

Pero a las mol�culas que est�n la superficie s�lo est�n siendo haladas hacia el interior, como si el resto del agua en la gota no quisieran dejarlas ir. Por eso la superficie del agua es como una l�mina el�stica.

Pero, �por qu� no puedes hacer burbujas con agua pura?

Porque agregar detergente al agua reduce la tensi�n de la superficie.

No se pueden hacer pompas con agua limpia o pura porque lo que logras es hacer burbujas que suben a la superficie y se estallan pronto pues la tensi�n superficial del agua es tan fuerte que destruye la pel�cula que las rodea.

Las delgadas pel�culas de las burbujas o las pompas de jab�n pueden existir durante mucho m�s tiempo porque las mol�culas de detergente reducen la tensi�n de la superficie del agua.

Gracias a ello, esas burbujas que vemos cada vez que nos enjabonamos est�n ayudando a resolver algunos de los m�s complejos problemas matem�ticos de la naturaleza.
De aqu� a J�piter

En la imagen de abajo se pueden observar las tormentas que se producen en la atm�sfera de J�piter.

Es un ejemplo gigantesco de uno de esos problemas dif�ciles: las complejas formas en que fluyen los fluidos.

Los flujos de fluidos son hermosos, pero tambi�n muy complicados de estudiar pues son inaccesibles o invisibles.

Por fortuna, el proceso puede ser recreado en la superficie de una burbuja de jab�ny aprovechar sus colores para hacerle seguimiento al movimiento del fluido.

As� mismo, fen�menos como los patrones de flujo de las nubes, por ejemplo, o la forma en que el agua viaja alrededor de un objeto s�lido pueden reproducirse y estudiarse en las pel�culas las pompas de jab�n en un laboratorio.

Y esto no es lo �nico que tienen para ense�arnos.
Solucionadoras de problemas matem�ticos

Las pompas de jab�n son solucionadoras de problemas matem�ticos.

Lo puedes comprobar si observas su ins�lita b�squeda de perfecci�n geom�trica: si las dejas solas, constantemente se acomodan hasta convertirse en esferas perfectas.

Pero tambi�n pueden hacer otros trucos. Por ejemplo, �cu�l es la forma m�s eficiente de unir las esquinas de un cubo?

Con una pel�cula de jab�n encontrar�s la respuesta correcta:

Funciona con cualquier forma que se te ocurra: debido a la tensi�n superficial, las pel�culas de jab�n siempre minimizar�n su �rea de superficie.

Es por eso que las burbujas en flotaci�n libre son esf�ricas: esa es la forma geom�trica con la menor cantidad de superficie para un volumen determinado.

En una masa de burbujas, cada una adoptar� el estado de energ�a m�s bajo posible, lo que llevar� a una variedad de formas poligonales curvas.

Esa capacidad de minimizar su �rea est� a la vanguardia de la ciencia.
Singular

Las "singularidades" son cambios bruscos de forma o estructura.

En la naturaleza, son ocurrencias comunes. No obstante, son incre�blemente dif�ciles de describir y entender matem�ticamente.

"Durante muchas d�cadas, los cient�ficos hemos estado tratando de comprender las matem�ticas de la singularidad, el momento en que ocurre la reorganizaci�n", le dijo a la BBC Ray Goldstein en la Universidad de Cambridge.

"Pero como son tan no lineales y tan dif�ciles de resolver, realmente estamos en la infancia de ese estudio".

"Lo que esperamos es poder ver un patr�n emergente que nos ense�e algo profundo sobre este tipo de transiciones, como cuando ciertas estructuras se desprenden del Sol, forman hermosos filamentos en arco y dan lugar a enormes expulsiones".

"Es dif�cil estudiar el Sol, pues no podemos acercarnos a jugar con �l, mientras que las pompas de jab�n tienen la ventaja de que podemos estudiarlas en gran detalle en el laboratorio".

Cuando una pompa de jab�n se une con otra, ocurre instant�neamente un cambio de forma y estructura.

"La tensi�n superficial en la pel�cula de jab�n es clave. Asegura que realicen sus cambios con el uso m�nimo de energ�a, que es la forma preferida en que opera la naturaleza".

Es incre�ble que una pompa de jab�n nos pueda llevar a entender al Sol y la Singularidad, que algo tan et�reo y hermoso pueda revelar los secretos detr�s de algunos de los fen�menos m�s extra�os del Universo.