Iridiscencia, interferencia y reflexión

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¿Por qué vemos esos colores en la superficie? La superficie de las pompas es iridiscente, es decir, el tono de la luz varía de acuerdo al ángulo desde el que se observemos su superficie. El color iridiscente de las pompas de jabón es efecto de la interferencia entre las ondas de luz. Fuente: Wikipedia.

Cuando la luz incide en la película, parte de ella es reflejada por la parte exterior de la superficie mientras que otra parte entra dentro de la película y resurge tras ser reflejada varias veces por las dos superficies. La reflexión total que se observa está determinada por la interferencia de todas estas reflexiones.

Un rayo de luz incide sobre la superficie en el punto X. Parte de la luz es reflejada, pero alguna atraviesa la pared de la pompa y es reflejada en el otro lado de la pared.

Como cada vez que se atraviesa la película se produce un desfase proporcional al grosor de la película e inversamente proporcional a la longitud de onda, el resultado de la interferencia depende de estas dos cantidades. Por tanto, para un grosor dado, la interferencia será constructiva para algunas longitudes de onda y destructiva para otras, de manera que la luz blanca que incide en la película es reflejada con una tonalidad que cambia con el grosor.

En este diagrama vemos dos rayos de luz roja (rayos 1 y 2). Ambos rayos se dividen igual que antes y siguen dos caminos posibles, pero solo estamos interesados en los caminos representados con líneas continuas. Consideremos el rayo que emerge del punto Y. Consiste en dos rayos superpuestos: la parte del rayo 1 que atravesó la pared de la pompa y la parte del rayo 2 que se reflejó en la pared exterior. El rayo 1 ha viajado una distancia XOY mayor que la del rayo 2. Como XOY resulta tener la misma longitud que la longitud de onda de la luz roja, los dos rayos están en fase (las crestas y los valles están juntos).

Se puede observar un cambio de color cuando la pompa se hace más fina por evaporación. Las paredes más gruesas cancelan longitudes de onda rojas (más largas), causando una reflexión azul-verde. Luego, las paredes más finas cancelan el amarillo (dejando luz azul), luego el verde (dejando magenta) y luego el azul (dejando el amarillo).

En este caso, la longitud de onda es distinta. Esta vez XOY no es múltiplo de la longitud de onda, y por tanto los rayos 1 y 2 llegan a Y desfasados. Los valles del rayo 1 se alinean con las crestas del rayo 2, y los dos rayos se cancelan mutuamente. El efecto global es que, para este grosor de pompa, no se reflejará luz azul.

Finalmente, cuando la pared de la pompa se hace mucho más fina que la longitud de onda de la luz visible, todas las ondas de la región visible se cancelan unas a otras y no se percibe ninguna reflexión. Cuando se observa este estado, la pared es más fina que unos 25 nanómetros, y probablemente está a punto de estallar.

Esta imagen es una simulación por ordenador que muestra los colores reflejados por una película fina de agua iluminada por luz blanca sin polarizar. El radio es proporcional al grosor de la película, y el ángulo polar es el ángulo de incidencia.

Los efectos de interferencia también dependen del ángulo en el que la luz incide sobre la película, un efecto llamado iridiscencia. Por tanto, aunque la pared de la pompa tuviera un grosor uniforme, se seguirían viendo variaciones de color debido a la curvatura y/o al movimiento. Sin embargo, el grosor de la pared cambia continuamente porque la gravedad atrae al líquido hacia la parte baja, de manera que normalmente también se pueden observar bandas de color que se mueven hacia abajo.

Como pompas de jabón: ¿De qué depende la aparición de ciertos colores que vemos en la superficie de las pompas de jabón?

De la imagen:

Each point is coloured according to its polar coordinates. The radial coordinate is proportional to the thickness of the film, with the outer radius corresponding to 690 nm, and the angular coordinate is the angle of incidence, with the y-axis corresponding to normal incidence. The colours were calculated assuming unpolarized standard D₆₅ illumination and using the wavelength-dependent refractive index of water as specified by the International Association for the Properties of Water and Steam, at a temperature of 20 °C and a density of 1 kg/l. The reflectance of the film for linearly polarized light is given by

,

where  is the complex phase factor incurred by a double traversal of the film and  is the reflectance of a single interface as given by the Fresnel equations. The reflectance for unpolarized light is obtained by averaging over the two polarization modes.

Tensión superficial en una pompa de jabón

¿Qué es una pompa de jabón?  Es una capa de líquido con dos películas muy finas de jabón y agua que forma una esfera hueca.

¿Qué fenómeno físico está en juego? La tensión superficial. Una molécula en el interior de un líquido está sometida a la acción de fuerzas atractivas (cohesión) en todas las direcciones, siendo la resultante de todas ellas nula cuando está en equilibrio. Pero si la molécula está situada en la superficie del líquido, sufre un conjunto de fuerzas de cohesión, cuya resultante es perpendicular a la superficie y dirigida hacia el líquido. De aquí que sea necesario consumir cierto trabajo para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la resistencia de estas fuerzas. La tensión superficial es el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para mantener la superficie. Debido a estas fuerzas, la superficie tiende a contraerse y ocupar el área más pequeña posible, para consumir menos trabajo.

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¿Por qué es esférica? En matemáticas, una esfera es la forma de encerrar un volumen dado con la menor superficie posible. Es por tanto una consecuencia de la tensión superficial: al minimizar la superficie, se minimiza la energía y por tanto se consume menos trabajo.

Retomando el líquido preparado anteriormente para hacer pompas de jabón:

¿Cómo ha afectado el jabón a la tensión superficial del agua? ¿Y el resto de ingredientes?

¿Qué otras formas pueden adoptar las pompas de jabón?

Como pompas de jabón

¿Quién no ha jugado alguna vez a crear pompas de jabón? Con ingredientes tan sencillos, es un experimento de lo más accesible. Y sin embargo… ¿Qué ingredientes son exactamente? ¿Agua y jabón? ¿Vale cualquier jabón? ¿Cuánto se echa de cada uno? ¿Qué diferencia hay entre las mezclas comerciales y las caseras? ¿Cómo puedo conseguir pompas tan grandes como las del vídeo?

¡Sigue el método científico para crear tu propia mezcla de pompas de jabón!

Estableciendo un objetivo

Cualquier experimento en ciencia empieza tratando de resolver un problema o estudiando un suceso que nos produce curiosidad. Por ejemplo: ¿qué hay detrás de una pompa de jabón? A lo que la siguen infinidad de preguntas relacionadas: ¿Cómo se producen? ¿Qué las hace más resistentes/vulnerables? ¿Qué más se puede aprender con ellas?

El objetivo que nos propondremos en este caso es el de encontrar un líquido que nos permita hacer pompas de jabón.

Diseñando el experimento

Ya sabemos que vamos a experimentar con pompas de jabón. Antes de empezar, preparamos los materiales necesarios para crearlas. Agua y jabón, son los primeros candidatos. Pero no son los únicos. Si comparamos un preparado comercial con uno casero, notaremos una diferencia en el tipo resultante de pompas de jabón.

Una búsqueda rápida por la red nos amplia la lista de «ingredientes»:

• Agua: del grifo, destilada, filtrada, embotellada (mineralización débil)… ¿Afecta la temperatura?
• Jabón: de manos, gel, champú líquido (de bebés), detergente (atención al tipo)…
• Azúcar
• Glicerina (de venta en farmacias o droguerías)
• Leche
• …

Para conseguir la mezcla ideal, es útil plantearse un control de parámetros. También es fundamental establecer qué caracteriza esa mezcla ideal: que las pompas duren más, que no manchen las superficies que toquen, que las pompas sean más grandes…

Control de parámetros

Qué material se necesita, en qué cantidad se emplea, cómo cambia su efecto en el tiempo, son posibles aspectos que afectan a nuestro experimento.  Para no llegar a conclusiones erróneas, resulta lógico tratar de analizar cada aspecto por separado.

Preparar una tabla detallando diferentes mezclas de los «ingredientes» ayuda a llevar un control preciso. Hay que tener en cuenta que si se cambian más de dos materiales o las cantidades empleadas, no podremos saber con seguridad qué ha afectado realmente a las pompas de jabón resultantes. También es más fácil repetir el experimento si se anotan los pasos dados.

Es interesante comprobar cómo afecta el tiempo al experimento. ¿Se produce algún cambio cuando se añaden los diferentes materiales más despacio/rápido? ¿Las pompas de jabón duran más o menos cuando se espera un tiempo antes de usar la mezcla? ¿Cuánto tiempo se debe esperar?

Otro elemento que afecta al resultado del experimento es el entorno donde lo llevamos a cabo: ¿espacio abierto o cerrado?, ¿humedad relativa?, ¿corrientes de aire?, ¿temperatura?,… Muchas veces se trata de parámetros que no podemos controlar personalmente, pero siempre debemos tenerlos en cuenta.

Este experimento es ideal para realizar en pequeños grupos trabajando en paralelo, cada uno de los cuales trataría de observar el efecto de uno de los parámetros en la mezcla final.

Analizando el resultado

En general, es inevitable tener una idea preconcebida del resultado, pero mantener una mente abierta nos permite analizar mejor los resultados.

¿Has conseguido la mezcla ideal? ¿Crees que por diferentes caminos se llegaría al mismo resultado? Es el momento, también, de comprobar y comparar con los objetivos marcados antes de iniciar el experimento: ¿ha ocurrido algo que no esperabas?

Concluyendo

Si la actividad se ha realizado en grupos, es el momento de resumir y explicar al resto lo que se ha ido aprendiendo en la preparación y desarrollo del experimento. Comunicar las ideas y discutirlas es el paso final del método científico. ¿Te han parecido razonables los pasos previos?

Ahora que tienes a tu disposición un preparado de pompas de jabón, puedes iniciar una cadena de experimentos: estudia la tensión superficial y las diferentes formas que adopta cada burbuja, observa los patrones de interferencia de la luz en la superficie de las pompas, consigue pompas enormes,…