martedì 5 marzo 2013

Affascinanti Bolle Di Sapone E Tensione Superficiale

Winter 1991 by The Geometry Center, University of Minnesota
Le bolle di sapone sono indubbiamente affascinanti e non solo per i piccoli. La loro leggerezza e la loro eleganza catturano l'immaginario collettivo. Sono, inoltre, interessanti dal punto di vista scientifico.

La perfetta forma sferica, la natura incredibilmente fragile del film di sapone dallo spessore microscopico, gli splendidi colori iridescenti non possono, infatti, non stupire.

Perché una bolla forma proprio una sfera? Perché non un cubo, un tetraedro, o un'altra figura geometrica?

Proviamo a comprendere i fenomeni che modellano una bolla di sapone.

Ma addentriamoci, prima, all'interno della struttura molecolare dell'acqua per comprendere il comportamento di questo fluido stupefacente.


Se potessimo osservare il comportamento delle molecole dell'acqua, potremmo notare che ciascuna di esse attira elettricamente le sue vicine. La molecola H2O ha due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. La sua straordinaria viscosità è dovuta ai due atomi di idrogeno, che sono disposti su un lato della molecola e sono attratti dagli atomi di ossigeno di altre molecole di acqua vicine, in uno stato noto come "legame idrogeno". Se le molecole di un liquido non si attraessero l'un l'altra, la continua agitazione termica delle molecole causerebbe l'ebollizione istantanea del liquido o la sua evaporazione.


Legame idrogeno tra due molecole d’acqua
Fonte
Gli atomi di idrogeno hanno elettroni singoli che tendono a spendere un sacco di tempo "all'interno" della molecola d'acqua, verso l'atomo di ossigeno, lasciando i loro esterni liberi, o con carica positiva. L'atomo di ossigeno ha otto elettroni, e spesso la maggior parte di essi si trova sul lato distante dagli atomi di idrogeno, rendendo questa parte dell'atomo carica negativamente. Poiché cariche opposte si attraggono, non è una sorpresa che agli atomi di idrogeno di una molecola d'acqua piace puntare verso gli atomi di ossigeno di altre molecole. Naturalmente allo stato liquido, le molecole hanno troppa energia per diventare bloccate in un modello fisso; tuttavia, i numerosi e temporanei "legami idrogeno tra le molecole" rendono l'acqua un fluido straordinariamente viscoso.

All'interno dell'acqua, almeno alcune molecole lontano dalla superficie, ogni molecola è impegnata in un braccio di ferro con le sue vicine da ogni lato. Per ogni spinta "verso l'alto" c'è una spinta "verso il basso", e per ogni spinta "a sinistra" c'è una spinta "a destra", e così via, in modo che qualsiasi molecola non risente di alcuna forza.
In superficie, le cose sono diverse. Non c'è alcuna spinta verso l'alto per ogni spinta verso il basso, perché ovviamente non c'è liquido sopra la superficie, così le molecole superficiali tendono ad essere attratte all'interno del liquido.

Ci vuole lavoro per spingere una molecola in superficie. Se questa è tesa - come quando una bolla sta per scoppiare - l'area aumenta, e un maggior numero di molecole è trascinato all'interno del liquido a far parte di questa area aumentata.
Questo effetto "pelle tesa" si chiama tensione superficiale, che svolge un ruolo importante nel comportamento dei liquidi. Se si riempie un bicchiere con acqua, sarà possibile aggiungerne al di sopra del bordo del bicchiere a causa della tensione superficiale, oppure una graffetta può galleggiare sulla 
superficie dell'acqua contenuta in un bicchiere.


Dalla Rete

Addentriamoci adesso nel mondo delle bolle di sapone!

Una bolla, come un palloncino, è formata da una pellicola molto sottile che circonda un volume di aria. La pellicola di gomma del pallone è elastica e si tende quando è gonfiata. Se si lascia il boccaglio del pallone aperto, la pellicola di gomma comprime l'aria all'interno e il pallone si sgonfia mentre vola per la stanza.



Fonte immagine
La stessa cosa succede se si inizia a soffiare per formare una bolla e poi ci si ferma. La sottilissima pellicola liquida della bolla è elastica, un po' come un pezzo di gomma sottile, e come un pallone spinge l'aria fuori dalla bolla, lasciando un cerchio piatto di sapone nella bacchetta della bolla.
A differenza di un foglio di gomma che, quando non è "stirato", perde ogni tensione, una bolla ha sempre una sua "tensione" non importa quanto piccola  diventi la superficie. Se si soffia per formare una bolla e si chiude l'apertura, la tensione nella pellicola della bolla tenta di compattare la stessa in una forma con la superficie più piccola possibile per il volume di aria che contiene.

Tale forma sembra essere la sfera!

Quando una bolla incontra un'altra bolla, il risultato è sempre di totale condivisione e di compromesso.


Tom Noddy's Galactica. Photo by: Olivier Blaise
Poiché le bolle cercano sempre di ridurre al minimo la superficie, due bolle si fonderanno per condividere una "parete" comune.

Se le bolle hanno la stessa grandezza, questa parete sarà piatta. Se le bolle sono di dimensioni diverse, la bolla più piccola, in cui c'è sempre una maggiore pressione interna, diventerà un rigonfiamento nella bolla più grande. (Vedere figura a lato)

Indipendentemente dalla loro relativa grandezza, le bolle si incontrano secondo un angolo di 120 gradi:

in qualsiasi gruppo formato da tre bolle, queste si incontrano con un angolo di 120 gradi. 
La regola dei 120 gradi è sempre valida, anche per gruppi di bolle alquanto complessi come possono esserlo le schiume.

Se si prendono due lamine di vetro o plastica trasparente, distanti tra loro poco più di un centimetro, si immergono in una soluzione saponata e poi si gonfiano le bolle tra i due foglietti, si ottengono molti strati di bolle. Se si osserva da vicino, si noterà che tutti i vertici, in cui si incontrano i tre strati di bolle, formano angoli di 120 gradi. Se le bolle sono di dimensioni uniformi, si noterà che si formano esagoni che somigliano proprio alle celle di un alveare. Le api, come le bolle, cercano di essere efficienti, utilizzando il minor quantitativo possibile di cera. Le celle esagonali sono l'ideale.



Fonte: Krulwrich wonders

Bellissimo questo video di Kim Pimmel da Vimeo.




E bellissima questa foto di Janet Waters, presa dalla sua galleria su Flickr.





Perché usare una soluzione di acqua saponata e non acqua pura?

Avete mai provato ad ottenere una bolla con acqua pura? Non funzionerà. Esiste una comune misconcezione secondo cui l'acqua non possiede la tensione superficiale necessaria a mantenere una bolla di sapone e che il sapone fa aumentare la tensione superficiale, mentre in realtà la fa diminuire, di solito di circa un terzo rispetto a quella dell'acqua naturale.

La tensione superficiale dell'acqua naturale è semplicemente troppo forte per far durare le bolle per un certo periodo di tempo. Un altro problema con le bolle di acqua naturale è l'evaporazione: la superficie diventa rapidamente sottile, causando la loro rottura.

Le molecole di sapone sono composte da lunghe catene di atomi di carbonio e idrogeno. Ad una estremità della catena vi è una configurazione idrofila di atomi (si attacca all'acqua) mentre l'altra estremità è idrofoba, ma si fissa facilmente al grasso.

Nell'immagine seguente (fonte) una lunga molecola di sapone:


(estremità idrofoba che si attacca ai grassi) : CH3-(CH2)n-COONa+: (estremità idrofila)




Durante il lavaggio, l'estremità idrofoba della molecola di sapone si attacca al grasso presente sul piatto sporco. Le particelle di grasso vengono emulsionate e circondate dalle molecole di sapone, per essere portate via dal flusso d'acqua.

In una soluzione di acqua saponata, le estremità idrofobe delle molecole di sapone non "vogliono" stare nel liquido. Quelle che trovano la strada verso la superficie se la scavano attraverso le molecole d'acqua superficiali, spingendo la loro estremità idrofoba fuori dall'acqua. Questo comportamento separa le molecole d'acqua tra loro.

Poiché le forze di tensione superficiale si riducono all'aumentare della distanza tra le molecole d'acqua, le molecole di sapone coinvolte fanno diminuire la tensione superficiale.
Se la tazza ricolma di acqua, menzionata prima, fosse toccata con un dito leggermente insaponato, l'acqua traboccherebbe immediatamente dal bordo della tazza: la pellicola, formatasi per effetto della tensione superficiale, non sarebbe più in grado di sostenere il peso dell'acqua perché le molecole di sapone ne hanno separato le molecole, diminuendone la reciproca forza di attrazione.

Poiché l'estremità idrofoba (grassa) della molecola di sapone sporge dalla superficie della bolla, il film di sapone è in qualche modo protetto dall'evaporare (il grasso non evapora), il che prolunga sostanzialmente la vita della bolla. Un contenitore chiuso, saturo di vapore acqueo, rallenta l'evaporazione e consente alle pellicole di sapone di durare ancora più a lungo. 

Molto interessanti gli esperimenti fatti con acqua e bolle da Don Petit sulla ISS (Stazione Spaziale Internazionale), in assenza di gravità



Infine, alcune brevi considerazioni sui colori delle bolle di sapone.

Il colore, uno degli aspetti più affascinanti delle bolle, ci fornisce anche uno strumento estremamente accurato per misurare lo spessore del film di sapone.

Le onde luminose, come le onde dell'oceano, hanno creste e avvallamenti. La luce rossa ha la lunghezza d'onda più lunga mentre la luce violetta quella più breve.

Tutte le onde, inclusa la luce, hanno una curiosa proprietà: se due onde si combinano, le onde possono incontrarsi cresta- cresta, sommando e rafforzando l'effetto reciproco, o si possono incontrare cresta- avvallamento, cancellandosi reciprocamente in modo da non avere alcun effetto. Quando si incontrano cresta- avvallamento, per ogni vibrazione "up" in un'onda, vi è una corrispondente vibrazione "down" nell'altra. Questa combinazione di alti e bassi uguali causa l'annullamento totale o interferenza

L'interferenza è responsabile della lucentezza perlacea di una conchiglia "Orecchio di mare", dei bellissimi colori che ammiriamo in alcune piume d'uccello e ali di insetti, e delle macchie di colore presenti in una chiazza di petrolio in strada dopo la pioggia...e del colore delle bolle.

Il discorso è in realtà più complesso, ragazzi, in quanto sono coinvolte altre proprietà ottiche quali la riflessione e l'iridescenza. Per adesso mi fermo qui, riservandomi di affrontare tali concetti in futuro.


Presa dalla Rete

Le bande alternate luminose e scure su una pellicola di sapone, nell'immagine sopra, sono in realtà bande di colore, prodotte dalla riflessione e interferenza di onde luminose. I colori dipendono dallo spessore del film. Il film mostrato qui è più sottile in alto e più spesso verso il fondo. Al variare dello spessore del film, cambiano anche i colori, formando bande regolari.


8 commenti:

  1. Articolo molto dettagliato e interessantissimo.
    Hai evidenziato alcuni aspetti che spesso, in altri articoli che ho letto, vengono dati per scontati e quindi non gli si dà abbastanza risalto.
    Parlo ad esempio della posizione dei due atomi di H che si dispongono su un lato della molecola e degli otto elettroni dell'O che invece si dispongono sul lato opposto alla posizione degli atomi di H.
    E come dici tu, questo particolare "posizionamento" aiuta a rendere l'acqua un fluido straordinariamente viscoso. Ecco, cose che ho studiato, ma che sinceramente avevo quasi dimenticato, o almeno, a cui ho dato minor importanza, mentre invece...
    Come l'esempio dell'acqua aggiunta (senza esagerare) oltre il bordo di un bicchiere già pieno che però non trabocca grazie alla tensione superficiale. Nessun parolone, ma un ottimo esempio pratico, semplice e comprensibile a tutti.
    Altra cosa che non sempre viene spiegata è l'idea sbagliata che in molti hanno che l'aggiunta di sapone aumenta la tensione superficiale dell'acqua e quindi si riescono a creare le bolle. Il reale motivo che rende le bolle durature l'hai spiegato benissimo tu.
    Poi sui colori delle bolle... aspetto l'eventuale approfondimento riguardo alle altre proprietà ottiche coinvolte.

    Insomma, un articolo dove niente viene dato per scontato e anzi, si correggono anche alcune errate conoscenze. Informazione precisa e al contempo piacevolmente godibile nella lettura (le belle immagini scelte aiutano in questo).

    Hai fatto una piccola pausa sulle pubblicazioni in questi giorni, ma se il risultato è un articolo come questo, ben vengano anche le piccole pause (che poi le pause fanno sempre e comunque bene in generale).
    Un salutone
    Marco

    PS:
    perché quando hai parlato della più piccola superficie possibile per contenere il volume d'aria hai usato la frase "Tale forma sembra essere la sfera!" ed in particolare il termine "sembra"? Hai qualche segreto nascosto da rivelarci?

    PPS:
    C'è qualche problema con il video di Kim Pimmel: non si visualizza il widget di Vimeo


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    1. Grazie del feedback positivo e del generoso commento, Marco. Il ritardo nella pubblicazione è dovuto a motivi di salute.

      Per quanto riguarda il "sembra" non ho alcun segreto nascosto. E' semplicemente un modo di dire colloquiale.

      Per il video di Pimmel io riscontro soltanto un po' di ritardo nell'avanzamento del filmato.

      Un salutone
      Annarita

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    2. Cerca di riguardarti, il blog può tranquillamente aspettare.

      Sul "sembra" quindi nessun segreto. Peccato

      Riguardo al video invece il problema era il mio (la cache del browser). Si vede tutto perfettamente.

      a ri-saluto
      Marco

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    3. Mi riguardo, ma a volte non dipende solo da noi.

      Mi fa piacere che tu abbia risolto il problema con il video.

      Ciao
      Annarita

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  2. Argomento e post affascinanti come capita di solito su Scientificando. La trattazione rigorosa e friendly ne fa un articolo da inserire tra i preferiti.

    Grazie.
    Arte

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    Risposte
    1. Grazie, Arte. Sei sempre carina.

      Un salutone.

      Annarita

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  3. Ciao Annarita, avevo scritto un commento, ma è andato perso.
    Comunque sono completamente d'accordo con Marco, grandi complimenti.
    Al prossimo post.
    Hai visto il mio invito su laterraeabbastanzagrande ? Ci conto.

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    1. Mi dispiace per il commento perso, Gigi. Blogger, purtroppo, ogni tanto li fagocita.
      Grazie dell'apprezzamento.

      Leggerò l'invito. Lo so che ci tieni. Se la salute, un po' precaria in questo periodo, me lo consentirà, conto di esserci.

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