La física en las burbujas de jabón

¡La física en las burbujas de jabón!

Alguna vez te has preguntado, ¿Por qué las burbujas de jabón tienen colores tan llamativos en su superficie? Pues bien, para acercarnos a la respuesta debemos empezar por explicar un concepto simple conocido como tensión superficial. Para ello, consideremos entonces dos fluidos inmiscibles (A)-(B) y veamos qué fuerzas actúan sobre la interfaz S de separación de los medios, Figura 1. Imaginemos ambos líquidos como una mezcolanza de moléculas polares cada una de las cuales ejercen  fuerzas de atracción de la misma magnitud en todas las direcciones. Las moléculas 1 y 1', Figura 1, son atraídas de la misma manera por las partículas que las rodean. No sucede lo mismo con las moléculas 2 y 2' situadas cerca de la interfaz, ya que, la molécula 2 es atraída fuertemente por las moléculas del medio (A) situadas bajo la interfaz; finalmente la molécula 2 queda sometida a una fuerza resultante perpendicular a la superficie S hacia el medio (A). Como consecuencia de lo anterior, la superficie S se curva. Esta fuerza que empuja a las moléculas hacia el interior del fluido se denomina tensión superficial: formalmente es la energía de las moléculas por unidad de superficie. La tensión superficial está regida por  esfuerzos electroquímicos del fluido y modificada por sustancias disueltas en él, además es tangente a la interfaz y su magnitud dimensional es Fuerza/Longitud [1].

      FIGURA 1: Fuerzas que actúan sobre una interfaz

Ahora teniendo una idea sobre el concepto de tensión superficial, debemos  seguir al siguiente paso para responder la pregunta inicial, éste consiste en determinar que sucede cuando disolvemos agua y jabón. Una molécula de jabón típica (C17H35 COO-Na+) consiste en una larga y delgada cadena de hidrocarburos donde se distinguen dos extremos por su diferente afinidad, es decir, el extremo que contiene el ion de sodio es afín al agua porque son de polaridad similar, mientras que el otro extremo, denominado lipofílica, es afín a las grasas y repele el agua debido a la diferencia entre las fuerzas intermoleculares. Cuando el jabón se disuelve en agua, el ion de sodio se desprende, dejando la parte hidrófoba (C17H35) que intenta "huir" del agua, por lo que la molécula se desplaza a la superficie, orientándose de tal forma que sus finales hidrófobos se sitúen en el exterior, en contacto con el aire. Adicionalmente, al llegar la molécula a la superficie desplaza las moléculas de agua que se encontraban en ella y, por lo tanto, la tensión superficial del agua disminuye. La superficie del agua está, entonces, parcial o enteramente cubierta con una capa no polar. Al introducir un contorno cerrado de alambre, en la solución agua-jabón y al volver a sacarlo se forma una finísima capa de agua. Diremos entonces que se ha formado una película de jabón que encierra el aire y que a su vez está constituida por una capa de agua encerrada por dos de jabón.

Con todo lo anterior ya descrito y un poco de óptica, por fin, podemos describir la formación de colores en la superficie de la burbuja, lo cual se debe al fenómeno de interferencia. Se llama interferencia a la propiedad de que dos o más perturbaciones que llegan a un punto se suman algebraicamente, dando la posibilidad de que el efecto neto sea el aumento, interferencia constructiva, o una cancelación, interferencia destructiva, de la perturbación en ese punto [2].

                         

 FIGURA 2: La reflexión de una onda luminosa sobre una película de jabón. La onda se divide al ser reflejada por la parte anterior de la película y por la parte posterior. Las dos ondas que resultan interfieren.

Al incidir una onda electromagnética, supongamos en este caso luz monocromática, sobre la película de jabón, una parte de la onda se reflejará al chocar con la primera capa de jabón, mientras que otra parte se reflejará con la segunda capa de jabón. La luz reflejada total es la superposición de las dos ondas reflejadas. Como los recorridos de las ondas son distintos, naturalmente, las ondas al salir de la capa, no necesariamente estarán en fase, Figura 2. El desfase dependerá del grosor de la capa y de la longitud de onda de la siguiente forma [2].

  (1)  

En la ecuación (1) a corresponde al espesor de la película, θr es el ángulo de refracción y λ es la longitud de onda. ¿Qué pasa ahora si se ilumina la película con luz blanca? La luz blanca es una superposición incoherente de ondas de todas las longitudes de onda del espectro visible. Al ser reflejada por la película de jabón, algunas ondas sufrirán interferencia destructiva y serán eliminadas, mientras que otras persistirán porque pasaron por una interferencia constructiva. La luz que sale es una luz blanca a la que le faltan algunos colores: en realidad ya no es luz blanca, tendrá el color complementario de los colores que fueron eliminados por interferencia destructiva. Por ejemplo, si el grosor de la película es tal que se eliminó el rojo, el color que resulta en la película será un azul-violeta. El color de la luz reflejada depende directamente del grosor de la película de jabón, donde éste rara vez es uniforme, debido a la acción gravitatoria, de ahí que se vean sus colores, cada color corresponde a la región de la película de diferente grosor [3].

Referencias:

[1]  López Rafael, "Geometría de las pompas de jabón, Universidad Nueva Granada.

[2] C. Dib, " Optica Física: Interferencia", Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso Chile. Agosto 2006.

$[$3$]$ Téllez Gabriel, " La física y las películas de jabón",  Departamento de Física, Universidad de los andes.