¿Cuál es la física de una burbuja de jabón?

Question

A burbuja de jabón es una película extremadamente fina de agua jabonosa que encierra aire y forma una esfera hueca con una superficie iridiscente.

¿Qué proceso fluidodinámico se produce durante el estallido de una pompa de jabón?

Answer 1

La burbuja, mientras exista, se equilibra con tres factores:
1) Tensión superficial del agua jabonosa.
2) Presión interna aplicada por el aire dentro de la burbuja en la superficie.
3) Presión atmosférica.

Cuando alguna de ellas está desequilibrada, una fuerza es mayor que las otras y esto hace que la burbuja estalle.

Si te refieres a por qué estallan en la práctica? Bueno, la superficie de la burbuja está hecha de agua con jabón. El jabón es más ligero que el agua, así que cuando se crea una burbuja, el agua es atraída hacia el fondo de la burbuja -empujando el jabón hacia arriba- debido a la gravedad. La tensión superficial del agua es mayor que la del jabón, por lo que la parte superior de la burbuja se va debilitando a medida que se concentra más jabón en la parte superior. Pronto, la presión interna será suficiente para romper la burbuja, haciéndola estallar.

Otra razón es que el agua se evapora, dejando una solución más concentrada de jabón que -como se ha mencionado anteriormente- tiene una menor tensión superficial.

Answer 2

Una burbuja se comporta siempre según los principios de la "dinámica de la burbuja". Estos se rigen por la Ecuación de Rayleigh-Plesset . Tal y como ha señalado @mikhailcazi;

La burbuja, mientras exista, se equilibra con tres factores:

1) Tensión superficial del agua jabonosa.

2) Presión interna aplicada por el aire del interior de la burbuja sobre la superficie.

3) Presión atmosférica.

las 3 presiones son integrales en el comportamiento de la burbuja. Sin embargo, la burbuja no estalla inmediatamente cuando las presiones internas aumentan ( Brennen lo explica excelentemente). También existen fenómenos como el crecimiento y el colapso de las burbujas. Podrías investigarlo si estás estudiando la burbuja de jabón en detalle, y deseas utilizar el enfoque lagrangiano para ello. Algunas suposiciones para la ecuación de Rayleigh-Plesset que debes recordar:

1. Se supone que la burbuja es esférica durante toda su vida
2. Se supone que la transferencia de masa a través de la pared de la burbuja es despreciable hay muchos otros sobre la transferencia de calor, pero estos serán suficientes para el caso simple de la burbuja de jabón que necesitas.

Y para responder a su pregunta;

¿Qué proceso fluidodinámico se produce durante el estallido de una pompa de jabón?

Se trata básicamente de las variaciones de presión que se producen en el interior de la burbuja debido a las variaciones de presión externa (ambiente). La fuerza de tensión superficial se ajusta por el cambio de radio que se produce debido a la expansión/contracción de la burbuja; y equilibra las presiones hasta que la película de jabón se vuelve demasiado fina.

Answer 3

Pregunta número 1: Una pompa de jabón es negra cuando estalla, ¿por qué?

Respuesta: Cuando una burbuja de jabón estalla, se ve negra debido a la interferencia destructiva. Cuando una burbuja estalla,

1. Su espesor se vuelve despreciable, es decir, el espesor ≈ 0, y
2. Se cumple la condición de interferencia destructiva. $$ 2nt = m\lambda,\tag1$$ Dónde $n$ es el índice de refracción del agua, $m$ es el orden de una franja oscura, $\lambda$ es la longitud de onda de la luz utilizada y $t$ es el espesor de las películas. Así, cuando $t = 0$ y $m = 0$ obtenemos la franja oscura de primer orden debido a la interferencia destructiva. Por lo tanto, una burbuja de jabón se comporta como una película delgada y cuando estalla, se ve negra debido a la interferencia destructiva.

Answer 4

Si miras a Slow-Motion verás que el estallido de una burbuja de jabón es una especie de reacción en cadena, supongo que el sistema de burbujas no puede alcanzar un estado de energía más bajo liberando energía en el ambiente. así que una reacción resulta en una pequeña liberación de energía pero dando paso a más liberaciones de energía como un proceso en cadena. entonces el sistema de burbujas suele colapsar.