Estaba estirando una goma elástica de color rosa, y me di cuenta de que cuanto más la estiro, más claro se vuelve el rosa. No he encontrado respuestas a esta pregunta en ningún otro sitio. ¿Hay alguna razón para este fenómeno?
¿Por qué ocurre esto?
El color puede provenir de partículas de pigmento incrustado en la matriz de goma translúcida que absorbe la luz. Cuando se tira de la banda, las partículas se separan por una distancia mayor, pero al ser ellas mismas inelásticas siguen teniendo el mismo tamaño. Por lo tanto, la cantidad de absorción por unidad de superficie disminuye, y la banda se vuelve de color más claro.
Banda de goma simulada con partículas de pigmento incrustadas en la matriz. A medida que se extiende se vuelve más translúcida
Las bandas elásticas también son incompresibles ( $\nu=1/2$ ), por lo que el volumen no varía en gran medida al tirar. Esto tiene el efecto de reducir la sección transversal, reduciendo aún más la absorción.
No me convence su explicación. El caucho es un material incompresible: su volumen no cambia cuando lo estiras, por lo que la diferencia media entre las partículas de pigmento no cambia al estirarlo.
@Gert, puede que el volumen no cambie, pero la densidad de las partículas de pigmento disminuye definitivamente. Es análogo a arrugar un papel punteado. A lo largo del plano del papel la densidad de puntos es fija. Pero la densidad de puntos en volumen es definitivamente mayor que cuando el papel no estaba arrugado.
El mismo número de partículas de pigmento en el mismo volumen significa igual densidad de partículas de pigmento. O toma un cubo de plastilina azul (o Bluetack). Ahora, vuelve a moldearlo en una barra cuadrada larga: el color no cambiará porque la densidad del pigmento (o del tinte) no cambia al volver a moldear.
Las bandas elásticas están hechas de polímeros (más concretamente elastómeros ). Un polímero dado en la banda puede estar alineado con otros polímeros a su alrededor, o puede estar desalineado. Por lo tanto, se puede acabar con regiones de orden y regiones de desorden en la banda. En una banda no estirada hay mucho más desorden, pero cuando se estira la banda elástica se obliga a los polímeros a estar más ordenados y alineados $^*$ . Es esta alineación la que cambia las propiedades ópticas de la banda, haciendo que disperse la luz de forma diferente y parezca más blanca.
Relacionando esto con Respuesta de Anders Sandberg Sin embargo, el caucho estirado es más transparente, pero el caucho estirado es más opaco, lo que hace que se vean menos pigmentos.
$^*$ Esto también explica por qué el calentamiento de una goma elástica hace que se encoja, ya que la energía extra hace que los polímeros estén menos alineados, lo que hace que la goma disminuya su longitud.
¿Existe una forma directa de ver por qué el estiramiento dispersa la luz para que parezca más blanca? Esta parece ser una propiedad común de las bandas elásticas de todos los colores. ¿Es que ahora la luz queda menos atrapada?
Entonces, ¿los estados del conjunto gran canónico se desplazaron a estados de mayor energía, por lo que la cantidad de cuantos necesarios para patear el electrón cambió, y por lo tanto cambia la frecuencia de la luz? (Además, ¿no debería aumentar la entropía con la perturbación dada, al aumentar el potencial y el trabajo realizado en el sistema?)
En general, la goma de las bandas elásticas dispersa la luz. Esto explica por qué las gomas son opacas, pero siguen reflejando bastante la luz, del mismo modo que la leche parece blanca.
En presencia de pigmentos, el blanqueamiento al tirar puede explicarse si el material dispersa más la luz cuando se estira. Más dispersión significa que los rayos de luz que se reflejan, o se dispersan, en la superficie del caucho tienen que recorrer una distancia menor a través del material antes de reflejarse. Por lo tanto, tienen menos posibilidades de alcanzar un pigmento de color. (La densidad del pigmento permanece constante, ya que los cauchos son bastante incompresibles).
La pregunta que queda es: ¿por qué la dispersión es mayor cuando se estira?
Desde esta fuente :
De ellas se concluye que:
(a) Las heterogeneidades ópticas están presentes en las muestras estiradas con un tamaño del orden de varias micras.
(b) Estas heterogeneidades no están presentes en las muestras no estiradas y se desarrollan con la elongación en el mismo (o menor) rango de elongación donde se produce la cristalización.
[...]
(d) Las heterogeneidades representan principalmente fluctuaciones en la orientación de los cuerpos anisotrópicos más que fluctuaciones en la densidad. [...]
Aaron iba por buen camino al mencionar la dispersión, pero parece que las heterogeneidades del material son más relevantes que la cristalización para explicar el blanqueamiento por dispersión de la luz.
Anders Sandberg explicó el efecto principal (de hecho, la disminución de la concentración de pigmento por área y el adelgazamiento de la banda son el mismo efecto).
Hay dos efectos más que actúan incluso en las gomas no translúcidas, haciéndolas más blancas:
La presencia de pequeñas grietas en la superficie. Cuando se estiran, se abren más. Se puede ver el mismo efecto a escala macro en el caucho envejecido. Las grietas permiten que se disperse más luz en lugar de profundizar en el volumen del material y ser absorbida (el mismo efecto hace que la nieve sea blanca y el agua profunda negra, azul o lo que sea menos blanca).
La presencia de pequeños vacíos en la masa del caucho, que contienen relleno, pigmento, aire o simplemente una discontinuidad en el polímero. Cuando se someten a una presión negativa, también se expanden y dispersan la luz más que en estado no estirado.
Es muy importante entender que, en contra de la creencia popular, la luz solar es luz blanca (no amarilla).
Ahora preguntas por qué una goma elástica se vuelve de color más claro cuando se estira, y tu pregunta puede ser por qué una goma elástica refracta/refleja más luz cuando se estira sin cambiar demasiado los niveles (de distribución de) energía de los fotones, más concretamente por qué la refracción/reflexión contiene todas las longitudes de onda de los fotones (combinándose así en una luz cada vez más blanca/brillante).
Ahora la respuesta es la estructura de la red cristalina. Hay ciertos materiales que tienen este tipo de estructura molecular, como el vidrio, los cristales y ciertos plásticos, y tienen la capacidad de refractar y reflejar la luz (también la luz visible) sin cambiar demasiado la (distribución de) los niveles de energía de los fotones refractados y, más concretamente, son capaces de refractar/reflejar todos los fotones de longitud de onda (también los visibles) y absorber muy poco.
http://www.schoolphysics.co.uk/age14-16/Matter/text/Rubber_band/index.html
Ahora bien, lo que ocurre con las bandas de goma cuando se estiran es que la estructura molecular de la goma es capaz de cambiar, y cambia hacia estas estructuras de red cristalina de ciertos materiales (vidrio, cristales y ciertos plásticos), y por lo tanto es capaz de refractar/reflejar más luz sin cambiar demasiado la (distribución de) los niveles de energía de los fotones, más específicamente, se convierte en capaz de refractar/reflejar todos los fotones de longitud de onda (visibles también) (por lo tanto capaz de parecer de color más como la luz en el medio ambiente).
Un ejemplo muy bueno es intentar estirar una goma elástica en una habitación llena de luz azul oscura. Cuando se estira la banda elástica, empieza a refractar/reflejar más luz azul oscuro, y de hecho se puede ver que la banda elástica parece volverse más oscura (no más brillante).
Otro ejemplo muy bueno es el del globo, intente llenar el globo con aire y vea como parece volverse más claro en color, pero hágalo en una habitación llena de luz azul oscura, y el globo podría parecer volverse más oscuro a medida que lo llena de aire.
En realidad, en relación con el punto blanco sRGB, la luz del sol es amarilla. En concreto, su cromaticidad es $(x,y)=(0.326, 0.338)$ que da como resultado sRGB #fff3ea . Para más detalles, consulte ¿De qué color es el Sol? - Cromaticidad por encima de la atmósfera .
sin cambiar demasiado los niveles de energía de los fotones - Creo que quieres decir sin cambiar el distribución de los niveles de energía. Un pigmento normal funciona absorbiendo algunas longitudes de onda más que otras, no cambiando el nivel de energía de ningún fotón específico que dispersa. (Un material que se vuelve fluorescente podría hacer eso, por ejemplo, hacer que una camisa almidonada parezca "más blanca que el blanco" para una luz ambiental determinada, o algún color de neón diurno). De todos modos, sé que el mecanismo normal de los pigmentos es la absorción selectiva frente a la dispersión, pero tu respuesta podría ser engañosa para la gente que no lo sabe.
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Sólo lo comento porque no estoy seguro de los detalles, pero la dispersión juega un papel importante. Puede ser en el tamaño y la forma de los microdominios de polímero como en una respuesta más abajo, o simplemente modulando la interdistancia entre el pigmento segregado u otros dominios de carga. Además si el cambio es en la superficie, pero todavía no pasa la luz, las fisuras en la superficie se dispersarían dando el color blanquecino. Ps también mencionó en una respuesta.
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Hola wavion, acabo de ver que esta pregunta tiene una recompensa. ¿Qué hay de mi respuesta que no es suficiente para ti?
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Hola Aaron. Acabo de recibir la respuesta que esperaba. Me ha parecido que la transparencia y los pigmentos no explican del todo lo que ocurre con la goma. Si revisas los comentarios de Gert sobre la respuesta de Anders Sandberg, no parece ser del todo convincente. Cuando leí su respuesta, me quedé un poco confundido sobre a qué propiedades ópticas exactas se referían aquí y cómo funcionaban. La respuesta de Krishnanand J era un poco más completa y mostraba exactamente cómo se comportaba la banda elástica.
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No obstante, ¡muchas gracias por tu respuesta! Después de leer la respuesta de Krishnanand veo que, efectivamente, era una explicación correcta. Sólo buscaba una explicación más, si se quiere, parecida a la de los niños, de esta propiedad que también pudiera aclarar los puntos planteados en los comentarios de la respuesta de Anders Sandberg.
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Me alegro de que hayas obtenido la respuesta que buscabas. La próxima vez serás más que bienvenido a comentar mi respuesta si estás confundido sobre algo. Además, asegúrate de etiquetarme en los comentarios para que me avisen de las publicaciones que no son mías. Como @wavion
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@AaronStevens, claro que sí, ¡muchas gracias! :)