Anatomía de una pompa de jabón

Son pocos los niños que escapan al encanto que producen las pompas de jabón. Con un trozo de alambre y un poco de agua jabonosa se puede pasar una tarde soplando y creando burbujas de colores irisados que parecen flotar en el aire. Pero detrás de esta aparente sencillez, estas pompas de jabón esconden una complejidad extraordinaria.

Una pompa de jabón no es más que una película muy fina de agua jabonosa, cuya superficie esférica encierra un volumen de aire en su interior, a la vez que presenta un aspecto iridiscente. A pesar de su efímera existencia –normalmente duran solo unos segundos y luego estallan por sí solas o al tocar algún objeto– su apariencia y sencillez hacen que pocos niños se resistan a utilizarlas como parte de sus juegos.

Sin embargo, detrás de estas burbujas de colores se esconde una gran complejidad, que la física y la matemática intentan develar. De hecho, estos objetos que incluso suelen utilizarse en espectáculos artísticos son absolutamente fascinantes para los científicos, ya que pueden ayudarlos a resolver problemas matemáticos complejos relacionados con la geometría espacial.

La superficie de una burbuja no es otra cosa que un (muy) delgado sándwich, donde las dos capas exteriores están formadas por moléculas tensoactivas (sí, el jabón) y la central por agua pura. Estas moléculas tensoactivas tienen un extremo con propiedades hidrófilas (que es atraído por el agua) y otro con características hidrófobicas que, lógicamente, son repelidos por el agua de la capa central. La película que hace las veces de “piel” de una pompa de jabón es extremadamente delgada. De hecho, quizás se trate de uno de los objetos más delgados que puedas construir en tu casa: tiene un espesor unas cinco mil veces menor al de un cabello.

Un problema de tensión

El secreto de la existencia de las pompas de jabón es, cómo no, la denominada “tensión superficial”. Este fenómeno, existente en mayor o menor grado en la superficie de todos los líquidos, es el responsable de algunas cosas muy extrañas, como por ejemplo permitir a algunos insectos “caminar” sobre el agua o llenar un vaso por encima de su borde. Para explicar el concepto de tensión superficial en palabras sencillas, podemos decir que las moléculas de agua están en permanente tironeo con sus moléculas vecinas.

En el interior del líquido las moléculas se encuentran en un equilibrio de fuerzas debido a que por cada molécula que tira hacia abajo hay una que tira hacia arriba (y lo mismo ocurre en cualquier dirección que imagines). Sobre una molécula dada no existe ninguna fuerza neta, pero en la superficie las cosas son diferentes. No existen fuerzas hacia arriba capaces de equilibrar las que ejercen las moléculas de abajo, dado que no hay líquido sobre la superficie. El resultado de todo esto es que las moléculas superficiales tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido.

Sin embargo, si utilizásemos agua pura, no podríamos crear burbujas importantes o duraderas. Esto es debido a que el agua posee una tensión superficial alta, que provoca la rápida destrucción de la película. Pero las cosas cambian si añadimos alguna clase de jabón. Es que el jabón disminuye la tensión superficial natural del agua en un tercio, evitando que las burbujas estallen “espontáneamente”. En el otro extremo de la ecuación, si utilizásemos jabón puro tampoco podríamos crear burbujas durables, ya que la baja tensión superficial lo impediría. El otro gran problema con las burbujas de agua pura es la evaporación en su superficie, que las hace muy delgadas rápidamente, provocando el inevitable estallido. Pero el jabón también ayuda a retrasar este proceso.

Así es que, como cualquier niño sabe, debemos utilizar una mezcla de agua y jabón para poder crear burbujas que duren al menos unos cuantos segundos. La “formula ideal” para crear una pompa incluye un 50% de agua, un 40% de jabón (líquido) y un 10% de glicerina. Este último componente es una clase de alcohol que contribuye a solucionar el problema de la evaporación a la vez que le da mayor resistencia. Puede adquirirse en farmacias sin problemas, pero debemos tener cuidado si hay niños cerca, ya que la glicerina puede ser toxica si se la ingiere.

¡A soplar!

Cuando comenzamos a soplar, la película jabonosa y la superficie de la pompa de jabón comienza a estirarse ya que la presión del interior es ligeramente mayor que la presión exterior. Esta presión (simplificando mucho) es la que trasmite energía a la película de jabón, que la almacena como “energía elástica” en la superficie. Más o menos como ocurre cuando presionamos un resorte. A medida que el diámetro de la burbuja aumenta, junto a su superficie, la pompa se vuelve más elástica.

Gracias a la tensión superficial que actúa sobre las moléculas de la superficie de la burbuja, existe una “resistencia” a la evaporación de la capa de líquido superficial. Esto se debe a que la fuerza resultante sobre cada molécula de la superficie se dirige hacia el interior del líquido. De alguna manera, el grado de intensidad de esta tensión superficial es la responsable del tamaño y la forma de la burbuja.

La tensión hace que la pompa forme una esfera, porque la esfera es de todas las figuras posibles, aquella con menor área superficial para un volumen interior dado. Por supuesto, esta forma puede distorsionarse visiblemente por culpa de las corrientes de aire (o por un soplido), pero si se deja caer una pompa en aire quieto, esta permanece casi esférica.

Curiosidades

Es bastante probable que ya estés pensando en mezclar un poco de jabón y agua para jugar con unas burbujas. De hecho, puedes utilizar algún hermanito pequeño como excusa para no sentirte mal cuando comiences a soplar tus pompas. Por si aún no te decides, te contamos algunas curiosidades sobre estas estructuras.

En primer lugar, tienen una gran facilidad para cambiar de tamaño con la temperatura ambiente. Si una pompa se traslada de un lugar caliente a otro más frío, se hace más pequeña al comprimirse ligeramente el aire que contiene dentro. También puede demostrarse que las pompas de jabón explotan debido a la fuerza de la gravedad. Es que, en  la mezcla que les da vida, el jabón pesa más que el agua, así que a medida que este “migra” hacia el inferior de la esfera, la parte superior comienza a evaporarse y finalmente la pompa se rompe.

Otro experimento que puedes hacer es crear pompas en ambientes muy fríos. Las pompas de jabón creadas en aire a una temperatura menor a los 15°C bajo cero se congelan cuando tocan una superficie. Luego, el aire de su interior se pierde gradualmente, haciendo que la pompa se arrugue bajo su propio peso. Y si las haces a unos 25ºC bajo cero, las pompas se congelarán en el aire, rompiéndose cuando caen al suelo.  A temperaturas tan bajas, las pompas se llenan con el aire caliente de los pulmones, pero rápidamente se congelan en forma de esferas perfectas. Si la temperatura es muy baja, se congelarán antes que puedas “inflarlas” demasiado, y si sigues soplando, solo conseguirás romperlas.

Como puedes ver, detrás de algo aparentemente tan sencillo como una simple pompa de jabón se esconde una complejidad importante. Afortunadamente, no hace falta conocer nada de esto para que un niño pueda disfrutar con estas esferas flotantes y multicolores.

Experimento: Burbujas de jabón inflamables