Una breve introduzione alla scienza nascosta dietro uno dei giochi più semplici ed al contempo affascinanti.
Che meraviglia! Vi racconto la fisica delle bolle di sapone
Composizione chimica del sapone e ruolo della tensione superficiale
I saponi sono costituiti da molecole anfifiliche (dal greco “affine ad entrambi”), formate da una “testa” idrofila (solubile in acqua) e una “coda” idrofoba (solubile in sostanza come gli olii). Questa struttura permette alle molecole di disporsi all’interfaccia tra acqua e aria in un doppio strato, con le teste immerse nell’acqua e le code rivolte verso l’esterno. Questa organizzazione modifica profondamente il comportamento dell’acqua, in particolare la sua tensione superficiale. Questa è la forza dovuta alla coesione tra le molecole sulla superficie, e si manifesta nel momento in cui ci accorgiamo che serve compiere un certo lavoro per aumentare l’area della superficie stessa. L’acqua pura ha una tensione superficiale elevata, che rende difficile la formazione di pellicole sottili e stabili. L’aggiunta di sapone riduce questa tensione, rendendo possibile la creazione di film elastici e flessibili: la base fisica delle bolle.
Come il sapone permette la formazione delle bolle
Quando il sapone si disperde nell’acqua, le sue molecole formano un doppio strato che intrappola un sottilissimo velo d’acqua tra due superfici ricche di tensioattivi. Questo doppio strato stabilizza il film, rallentando l’evaporazione e impedendo che le molecole d’acqua si attraggano troppo fortemente. La presenza del sapone permette quindi di ottenere pellicole molto più resistenti rispetto all’acqua pura. Inoltre, l’aggiunta di sostanze viscose come la glicerina rallenta lo spostamento d’acqua all’interno dello strato (sempre a causa delle differenze di tensione superficiale), rendendo la bolla più longeva. Il sapone agisce dunque come regolatore della stabilità del film, permettendo la formazione di bolle grandi e durature.
Perché le bolle sono sferiche e come interviene la gravità
Una bolla di sapone tende spontaneamente ad assumere una forma sferica perché la sfera è la figura geometrica con la minima superficie a parità di volume. Poiché le forze dovute alla tensione superficiale “tirano” in tutte le direzioni le molecole d’acqua deformando la superficie, la forma sferica è la soluzione più efficiente per ridurre questi sforzi, mantenendo invariato il volume. La situazione raggiunge l’equilibrio quando le forze superficiali contraggono la bolla abbastanza da aumentare la pressione interna, fino al punto che questa è capace di contrastare contemporaneamente la tensione superficiale e la pressione esterna.
Tuttavia, nelle bolle di grandi dimensioni diventa rilevante un fattore aggiuntivo: la gravità. Il peso del liquido fa sì che l’acqua contenuta nel film scenda verso il basso, assottigliando la parte superiore. La gravità deforma la bolla rendendola leggermente schiacciata, soprattutto quando il diametro aumenta. Se il drenaggio diventa eccessivo, la parte superiore si assottiglia fino a rompersi.
Due esperimenti semplici per osservare la fisica delle bolle
Attraversare una bolla senza romperla
Per eseguire questo esperimento, basta bagnare un dito nel liquido saponato e poi inserirlo lentamente nella superficie della bolla. Una superficie bagnata non rompe la bolla perché non crea zone asciutte che destabilizzano il film. Questo permette di attraversare la pellicola senza che si rompa.
Osservare i colori nelle bolle di sapone
Per vedere i colori, si può soffiare una bolla su una superficie bagnata e osservarla in buona luce mentre l’acqua drena verso il basso. I colori derivano dall’interferenza della luce che si riflette sulle due superfici del film, e cambiano man mano che lo spessore varia. Quando la parte superiore diventa molto sottile, può apparire quasi nera.
Sapevate che…
- Perché le bolle di sapone “suonano” quando scoppiano?
L’interno delle bolle è sotto pressione: quando scoppiano generano una minuscola onda d’urto che produce un suono brevissimo. - Perché le bolle possono unirsi senza rompersi?
Quando due bolle si toccano, i loro film si fondono riducendo l’area totale e formando pareti comuni più stabili. - Perché alcune bolle sembrano “galleggiare” sopra superfici molto calde? Quando una superficie è molto calda, l’aria immediatamente al di sopra si espande e crea un moto d’aria che può sostenere temporaneamente la bolla, impedendole di toccare la superficie e scoppiare.
a cura di Gianfranco Longo