Los asombrosos enigmas de la física que develan las burbujas de jabón
Los asombrosos enigmas de la física que develan las burbujas de jabón
Para los niños, las burbujas de jabón son una diversión. Para muchos de nosotros, son increíblemente hermosas. Para los conocedores, son herramientas increíblemente poderosas que están expandiendo el horizonte de la ciencia.
A pesar de ser etéreas y estar hechas de las sustancias más mundanas -jabón, aire y agua-, están repletas de secretos y sorpresas.
Por eso han maravillado a los científicos por siglos.
"Haz una burbuja de jabón y obsérvala. Puedes estudiarla toda tu vida y obtendrás una lección de física tras otra", aconsejó el famoso físico 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.
Los fantásticos patrones que ves en las pompas están ahí porque la película de jabón es muy delgada, solo mide unas pocas centésimas del diámetro de un cabello humano.
Eso significa que la película de jabón tiene aproximadamente el mismo grosor que una sola longitud de onda de luz visible.
Y los diferentes colores en la película corresponden a diferentes longitudes de onda de la luz en el espectro.
"¿Cómo es posible?", se preguntaba no sólo Kelvin, sino muchos otros científicos: "¿Cómo puede existir algo tan delgado?".
Gota a gota
La respuesta tiene que ver con la extraña naturaleza de algo muy cotidiano... el agua.
Y con la formación de gotas.
Como puedes ver en estas gotitas, el agua está como recogida al interior de una especie de capa invisible y eso sucede porque las moléculas de agua de la superficie están siendo haladas hacia el interior con mucha fuerza.
El agua se comporta como si estuviera cubierta con una piel elástica, y a eso se le llama tensión superficial.
La tensión superficial es una de las fuerzas más delicadas e intrigantes de toda la naturaleza y su razón de ser está en la forma de la molécula de agua.
Porque algo curioso sucede cuando los átomos de los que está hecha una de estas moléculas se unen.
Cuando los hidrógenos se unen al oxígeno, la molécula no queda recta, sino con un retorcimiento, y en general, un lado de la molécula tiene una carga ligeramente positiva y el otro tiene una ligera carga negativa.
Cuando otras moléculas de agua se acercan, el lado positivo de una se siente atraído por los lados negativos de las otras, y viceversa. Y los enlaces que forman entre sí son muy fuertes.
Esos enlaces hacen que las moléculas en el cuerpo del agua sean haladas con la misma fuerza en todas direcciones.
Pero a las moléculas que están la superficie sólo están 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 lámina elástica.
Pero, ¿por qué no puedes hacer burbujas con agua pura?
Porque agregar detergente al agua reduce la tensión 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 tensión superficial del agua es tan fuerte que destruye la película que las rodea.
Las delgadas películas de las burbujas o las pompas de jabón pueden existir durante mucho más tiempo porque las moléculas de detergente reducen la tensión de la superficie del agua.
Gracias a ello, esas burbujas que vemos cada vez que nos enjabonamos están ayudando a resolver algunos de los más complejos problemas matemáticos de la naturaleza.
De aquí a Júpiter
En la imagen de abajo se pueden observar las tormentas que se producen en la atmósfera de Júpiter.
Es un ejemplo gigantesco de uno de esos problemas difíciles: las complejas formas en que fluyen los fluidos.
Los flujos de fluidos son hermosos, pero también muy complicados de estudiar pues son inaccesibles o invisibles.
Por fortuna, el proceso puede ser recreado en la superficie de una burbuja de jabón y aprovechar sus colores para hacerle seguimiento al movimiento del fluido.
Así mismo, fenómenos como los patrones de flujo de las nubes, por ejemplo, o la forma en que el agua viaja alrededor de un objeto sólido pueden reproducirse y estudiarse en las películas las pompas de jabón en un laboratorio.
Y esto no es lo único que tienen para enseñarnos.
Solucionadoras de problemas matemáticos
Las pompas de jabón son solucionadoras de problemas matemáticos.
Lo puedes comprobar si observas su insólita búsqueda de perfección geométrica: si las dejas solas, constantemente se acomodan hasta convertirse en esferas perfectas.
Pero también pueden hacer otros trucos. Por ejemplo, ¿cuál es la forma más eficiente de unir las esquinas de un cubo?
Con una película de jabón encontrarás la respuesta correcta:
Funciona con cualquier forma que se te ocurra: debido a la tensión superficial, las películas de jabón siempre minimizarán su área de superficie.
Es por eso que las burbujas en flotación libre son esféricas: esa es la forma geométrica con la menor cantidad de superficie para un volumen determinado.
En una masa de burbujas, cada una adoptará el estado de energía más bajo posible, lo que llevará a una variedad de formas poligonales curvas.
Esa capacidad de minimizar su área está 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 increíblemente difíciles de describir y entender matemáticamente.
"Durante muchas décadas, los científicos hemos estado tratando de comprender las matemáticas de la singularidad, el momento en que ocurre la reorganización", le dijo a la BBC Ray Goldstein en la Universidad de Cambridge.
"Pero como son tan no lineales y tan difíciles de resolver, realmente estamos en la infancia de ese estudio".
"Lo que esperamos es poder ver un patrón emergente que nos enseñe 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 difícil estudiar el Sol, pues no podemos acercarnos a jugar con él, mientras que las pompas de jabón tienen la ventaja de que podemos estudiarlas en gran detalle en el laboratorio".
Cuando una pompa de jabón se une con otra, ocurre instantáneamente un cambio de forma y estructura.
"La tensión superficial en la película de jabón es clave. Asegura que realicen sus cambios con el uso mínimo de energía, que es la forma preferida en que opera la naturaleza".
Es increíble que una pompa de jabón nos pueda llevar a entender al Sol y la Singularidad, que algo tan etéreo y hermoso pueda revelar los secretos detrás de algunos de los fenómenos más extraños del Universo.
