Cum se formează stratul subţire al balonului de săpun?

În realitate este vorba de un sandwich format din apă între două “felii” de molecule de săpun.

Observăm cum coada hidrofobă a moleculelor de săpun este în exteriorul stratului de apă.

Moleculele de săpunse auto-asamblează singure.

Dacă le introducem în apă, coada hidrofobă fuge de apă (energia de interacţie cu apa e pozitivă), iar capul hidrofil este atras de ea (energia de interacţie cu apa e negativă).Moleculele se auto-organizează astfel ca să minimizeze energia.

Dacă umflăm baloanele de unde mai apar molecule de apă ca să mărească suprafaţa balonului?În interiorul stratului de apă există conglomerate sferice de molecule de săpun care vor furniza materia primă pentru suprafaţa balonului.

Dar ce anume determină moleculele să migreze spre/dinspre suprafaţă? Energia. Energetic este mai rentabil pentru moleculele de săpun să se afle în interiorul stratului de apă decât pe suprafaţa balonului. Balonul va tinde să aibe o suprafaţă cât mai mică ca să minimizeze energia.

Dar atunci balonul ar trebui să colapseze într-un punct care are suprafaţa minimă! Ceea ce-l opreşte de la colaps este presiunea aerului din interiorul balonului. Când balonul se comprimă presiunea creşte şi trebuie să se efectueze un lucru mecanic pentru a comprima în continuare aerul din balon.

Dar de unde se ia energia necesară pentru compresie? De la energia înmagazinată de moleculele de săpun de la suprafaţă.

Lucrul mecanic de = Lucrul mecanic de modificare a volumului modificare a suprafeţei

p dV = dS

V=4 R3/3, dV=4 R2

S=4 R2, dS=8 R2

De aici rezultă o relaţie interesantă, care leagă proprietăţile geometrice ale balonului (curbura) de cele fizice (presiunea), numită legea lui Laplace: p=2 /RCu cât raza balonului este mai mică cu atât este necesară o presiune mai mare care să echilibreze contracţia balonului.

Care este diferenţa de presiune între 2 baloane de săpun alăturate?

Doarece avem o suprafaţă plană comună, raza R este infinită şi din legea lui Laplace rezultă că 2 baloane de săpun au aceeaşi presiune a aerului în interior (numai dacă baloanele au aceeaşi rază).Dacă au raze diferite, balonul mai mic are presiunea internă mai mare şi suprafaţa plană se bombează ca în imagine (puncte roşii).

Dacă avem trei baloane în comun, unghiul pe care-l fac planele comune este întotdeauna de 120 grade. Aceasta se aplică indiferent că avem numai 3 baloane sau dacă avem o reţea formată din multe baloane.

Dacă avem o reţea formată din multe baloane identice, aacestea se comprimă şi devin hexagonale precum fagurii de albine.Albinele, la fel ca şi baloanele, încearcă să fie cât mai eficiente în fabricarea fagurilor, adică să minimizeze suprafaţa de ceară. Iar soluţia este structura hexagonală

O întrebare idioată sau de 100 de puncte: de ce facem baloanele de săpun din săpun? De ce nu le facem din apă simplă?

Sau să reformulăm întrebarea: de ce se sparg baloanele din apă simplă?De obicei se răspunde prin: apa nu este suficient de “lipicioasă” şi adăugăm săpun ca să devină mai lipicioasă. Dar este greşit!

Dimpotrivă, apa este cât se poate de “lipicioasă” (ştiinţific spus are tensiune superficială), atât de lipicioasă încât baloanele colapsează rapid.

Săpunul se adaugă ca să scadă tensiunea superficială a apei la o treime din valoarea sa. În plus baloanele din apă simplă se evaporă prea rapid. Stratul de molecule de săpun împiedică evaporarea.

Tensiunea superficială apare numai pentru moleculele de apă de la suprafaţă, care sunt mai “dezechilibrate” decât cele din interior.

Ştim că datorită tensiunii superficiale, corpurile uşoare pot pluti pe apă, iar păianjenul de apă îşi poate urmări prada deoarece are la picioare nişte perniţe care-i măresc suprafaţa de contact cu apa (şi totodată tensiunea superficială).Apa este ca un elastic care se opune deformării sau creşterii suprafeţei sale.

Dacă adăugaţi săpun puteţi observa cum aceste obiecte se scufundă datorită scăderii tensiunii superficiale.

Dar oare chiar nu putem face baloane din apă simplă?Obstacolul este gravitaţia.

Atunci haide să ne jucăm cu baloane din apă în imponderabilitate! Aceasta a şi făcut astronautul Don Pettit. Pe un cadru de sârmă cu diametrul între 5-11 cm a turnat o picătură de apă.

Spre uimirea sa, filmele de apă nu numai că s-au menţinut timp îndelungat, ci au rezistat la toate tentativele sale de scuturare a cadrului de sârmă (vezi imaginile de jos). Filmele de apă se lipiseră de cadru la fel de tare cum se lipeşte pe Pământ o gumă de mestecat.

Culorile baloanelor de săpun

Culoarea, unul din aspectele cel mai atrăgătoare ale baloanelor de săpun, ne permite să le măsurăm grosimea.

Lumina este o undă. De aici rezultă una dintre cele mai surprinzătoare proprietăţi ale luminii: interferenţa.

Ni se pare firesc ca atunci când aprindem 2 becuri să avem mai multă lumină decât de la un singur bec.Lumină= lumină+ lumină(interferenţă constructivă)

Dar ni se pare destul de greu de acceptat că am putea avea situaţia:Întuneric = lumină+ lumină(interferenţă distructivă)

Lumina albă conţine unde cu diferite lungimi de undă, care se reflectă pecele două suprafeţe ale balonului de săpun. Dacă grosimea stratului este mare vom vedea un balon de săpun alb. Dacă grosimea stratului este comparabilă cu lungimea de undă a luminii vizibile vom observa interferenţa ei.Când 2 reflexii interferă constructiv vom vedea o bandă de culoare.Când cele 2 reflexii se anulează reciproc, acea lungime de undă dispare din spectru.

Grosimea stratului în balonul de săpun de jos este mai mică în partea superioară şi mai mare în partea inferioară. Odată cu modificarea grosimii se observă alternarea benzilor de culoare.Diferenţa de grosime între două benzi violet este de 700 nm (lungimea de undă a luminii violet).