Explicarle a un niño de cinco años: ¿por qué las burbujas no corren como el agua?

La razón por la que los fluidos fluyen de tu mano mientras que los sólidos no, es que los fluidos pueden cambiar de forma y los sólidos no. Las moléculas en un fluido quieren permanecer juntas, pero no les importa la forma en que se encuentran, por lo que la gravedad hará que se extiendan sobre tu mano y fluyan por los lados. Los sólidos no pueden cambiar de forma, por lo que simplemente permanecen en la parte superior de la mano, sostenidos por la fricción.

Una burbuja es una esfera delgada de una mezcla de agua y jabón llena de aire. La mezcla de agua y jabón tiene tensión superficial. Esto significa que las moléculas se tiran unas de otras para tratar de reducir el tamaño de la burbuja. Pero el aire dentro de la burbuja tiene presión de aire. Si la burbuja se hace más pequeña, la presión del aire aumenta, empujando hacia atrás esta fina capa de agua y jabón. Esto dará como resultado una situación estable: la tensión superficial tira hacia adentro y la presión del aire empuja hacia afuera, lo que da como resultado un tamaño y una forma específicos. Si la burbuja de alguna manera se hiciera más pequeña, la presión del aire restauraría su tamaño, y si se hiciera más grande, lo haría la tensión superficial. Si la burbuja se deforma a algo que no sea una esfera, la tensión superficial y la presión del aire ya no son regulares e iguales, y seguirán tirando y empujando hasta que vuelvan a serlo, lo cual, nuevamente,

Entonces, en cierto sentido, una burbuja se comporta como si fuera sólida , porque tiene una forma y un tamaño rígidos . La burbuja no puede extenderse sobre tu mano y fluir por los lados, porque quiere mantener su forma y tamaño. Y la burbuja en su conjunto no se mueve tan fácilmente debido a la adherencia a tu mano (la contraparte fluida de la fricción). Si sopla contra la burbuja o inclina la mano, el flujo de aire o la gravedad dominarán la adhesión y la burbuja en su conjunto se deslizará de su mano. Nunca se extenderá ni fluirá a menos que lo reviente, momento en el cual ya no hay burbujas de las que hablar, sino solo la mezcla de agua y jabón, que es un líquido.

En resumen, una burbuja tiene una forma un tanto rígida debido a la combinación de la tensión superficial y la presión del aire. Esto significa que no puede fluir, sino moverse como un todo. La adherencia entre la burbuja y su mano evita que la burbuja simplemente se deslice de su mano.

No soy bueno en esto, pero aquí está mi intento de expresarlo de manera que sea comprensible para un niño:

Si algo fluye, tiene que cambiar de forma. Los fluidos fluyen porque no les importa la forma que tengan. Los sólidos, como un dado, no fluyen porque quieren tener una forma específica. Un dado es siempre un cubo. Debido a esto, el dado solo puede moverse como un todo. El dado no se cae de tu mano porque hay fricción entre el dado y tu mano. Como un trozo de goma, o una tira de antideslizante, sobre una mesa.

Una burbuja es una bola con aire en el interior y una fina capa de agua en el exterior. Todo está hecho de pequeñas cosas llamadas 'moléculas' (no nos adelantemos aquí). Las moléculas en un sólido se mantienen muy unidas, por eso las cosas sólidas no pueden cambiar de forma. Las moléculas de un líquido se atraen unas a otras, pero no se sujetan entre sí. Debido a que las moléculas se atraen unas a otras, el agua en la burbuja quiere hacerse más pequeña. Pero, el aire dentro de la burbuja también tiene moléculas. El aire es un gas. Las moléculas de un gas no se unen entre sí en absoluto, simplemente no quieren alejarse lo más posible unas de otras. Entonces, las moléculas en el aire dentro de la burbuja quieren que la burbuja se haga más grande. Si las moléculas en el aire empujan más fuerte que las moléculas en el agua, la burbuja se hace más grande. Si las moléculas del agua tiran con más fuerza, la burbuja se hace más pequeña. Al poco tiempo,

Ahora, si la burbuja se vuelve más pequeña, las moléculas de aire la empujarán hacia afuera nuevamente. Si la burbuja se vuelve más grande, las moléculas de agua la empujarán nuevamente. Entonces la burbuja no puede cambiar de forma. Puedes ver esto en un globo (gracias a Bobson) . Toma un globo vacío. Es muy pequeño porque la goma está juntando el globo y no hay aire en el globo para empujarlo. Ahora, si inflas el globo, entrará más y más aire. Entonces el aire empujará más y más fuerte, haciendo que el globo sea más grande. Si pinchas el globo, puedes sentir el aire empujando contra tu dedo. Y si vuelves a retirar el dedo, el aire vuelve a poner el globo en forma. Esto es exactamente lo mismo que en una burbuja. Excepto que el agua se 'romperá' mucho más fácilmente que la goma del globo. Así que puedes'

Entonces, al igual que el dado, la burbuja y el globo quieren tener una forma específica. Esto significa que la burbuja solo puede moverse como un todo. El dado no podía deslizarse de tu mano debido a la fricción. Con la burbuja está pasando algo parecido:

Sostén tus manos en una taza y echa un poco de agua. Ahora abre tus manos. El agua fluyó de sus manos, pero parte del agua todavía está adherida a su mano. Esto se debe a que las moléculas en el agua y las moléculas en tu mano también se atraen entre sí. Se llama adhesión. Debido a esta adherencia entre el agua en el fondo de la burbuja y tu mano, la burbuja no puede deslizarse de tu mano, al igual que el dado.

Fraseada para un niño:

El agua, la miel, la gasolina y el aceite son líquidos. "Líquidos" significa que las pequeñas moléculas que veríamos si tuviéramos muy buena visión, se pegan unas a otras y ruedan por una pendiente o sobre tu mano. Como dijo otro, como niños en una cadena tomados de la mano, pueden empujar y tirar y pueden moverse como una cadena dondequiera que la fuerza los lleve.

Los sólidos, como la madera o las piedras, tienen moléculas que están fuertemente unidas entre sí y solo pueden moverse como un solo cuerpo.

Las burbujas solo se pueden formar en líquido donde también hay un gas. Tome el agua del baño y el aire como ejemplo.

Si sopla con una pajita en el agua del baño, se forman burbujas.

El aire de la boca, a través de la pajilla y luego del agua, empuja hacia arriba las moléculas mezcladas de agua y jabón. El jabón ha hecho que la solución se vuelva elástica, y las moléculas mezcladas de agua y jabón rodean el aire de la pajilla y salen como una película delgada que atrapa el aire.

Esto es como la superficie del agua excepto que rodea el aire de la burbuja, y si uno tiene cuidado, la burbuja no se rompe pero puede separarse y flotar en el agua o ser levantada lentamente por la mano.

No se rompe porque las moléculas de la solución, que hacen que el exterior de la burbuja se pegue entre sí, forman una superficie similar a un globo que rodea el aire soplado.

Por lo tanto, aunque la superficie de la burbuja es líquida, la burbuja es principalmente gas y se comporta como un globo de gas en el aire, flotando.

En la bañera las burbujas pueden deslizarse como una lenta caída de agua porque el gas las hace muy ligeras contra la resistencia del aire, y la superficie del líquido se adhiere a los lados.

Así que las burbujas no son un líquido ni un gas.

Son un globo con una fina superficie líquida y un interior de gas.

Las burbujas permanecen como están debido a la tensión superficial . Se forman esencialmente debido a un líquido (solución detergente).

Esta tensión superficial es el resultado de las fuerzas cohesivas entre las moléculas líquidas y las fuerzas adhesivas con otras moléculas (su piel, por ejemplo). Estas fuerzas surgen debido a formaciones de enlaces débiles a nivel molecular entre dos moléculas líquidas, o una molécula líquida y otra molécula.

Estas son similares a las fuerzas que dan a los adhesivos como el pegamento su pegajosidad. Básicamente, una burbuja es solo un líquido pegajoso en tus manos. Simplemente no se siente pegajoso porque hay una capa muy delgada.

También es posible que desee ver videos en cámara lenta de burbujas estallando para ver cómo se forman gotas de líquido, para convencerse a sí mismo y a su hija de que las burbujas son en realidad líquidas.

Supongo que estás hablando de pompas de jabón .

Las pompas de jabón en su conjunto son una mezcla de agua y jabón (disuelto en agua) y aire (que técnicamente es una mezcla en sí mismo); por lo que no tienen un estado específico. Sin embargo, si ignoramos el aire, entonces la solución de jabón dentro del agua es un líquido; de hecho, un líquido con una tensión superficial apropiadamente alta (que, como mencionaron las personas, es menor que la tensión superficial del agua ordinaria).

La tensión superficial es el resultado de moléculas que se atraen mucho entre sí. Hará que la superficie tienda a minimizar su área. Las moléculas son como personas con muchas manos, agarrándose y acercándose unas a otras.

Pero si hay aire restringido dentro de una burbuja (digamos esférica); entonces la tensión superficial quiere reducir el tamaño de la burbuja, mientras que el aire interior resistirá esto aumentando su presión. Entonces llegarán a un equilibrio. Ahora, si hay un estallido, algunas moléculas perderán el contacto con algunas de sus vecinas y las moléculas que tiran del otro lado harán que la burbuja colapse.

Ahora, ¿por qué las burbujas no se deslizan de las manos como lo hace el agua? Hay algunas cosas a considerar en este caso. Primero, las fuerzas de adhesión relativamente fuertes entre el jabón y la piel provocarán una fuerza de atracción entre la burbuja y la mano (como el pegamento). La otra cosa a señalar es que las burbujas son bastante ligeras; con una densidad media ligeramente superior a la del aire (el número exacto depende de muchos factores) y mucho más baja que la del agua; De hecho, es lo suficientemente bajo como para que puedas ver una pequeña brisa (y la pequeña fuerza de fricción entre el aire y la burbuja) que los hace flotar en el aire. Estos efectos harán que las burbujas salgan de las manos mucho más lentamente que el agua.

¡Buena suerte explicándole esto a su brillante hija!

Es como un globo, sólo que más pequeño y más frágil.

EDITAR: Quiero decir, claro, hay más que eso. Pero si vas a conseguir que un niño de cinco años lo entienda todo, te llevará algunos años.

Como han mencionado todas las respuestas, la clave es la tensión superficial. Recomendaría demostrar qué es la tensión superficial a través de la experimentación. Hay un par de formas en las que se puede hacer (belly flop vs directamente saltando a una piscina, por ejemplo), pero hay un video de YouTube que demuestra bastante bien la tensión superficial en http://www.youtube.com/ reloj?v=e1RVOc0VZ30 . El método para demostrar esto es el siguiente:

1. Tome un recipiente lleno de agua.
2. Coloque un pañuelo de papel con agua en la parte superior con cuidado, con una aguja encima.
3. El tejido absorberá agua y se hundirá, pero la aguja permanecerá por encima del agua. Esto se debe a que es más difícil entrar en la superficie del agua que cuando caes debajo de la superficie. Una vez que la aguja se empuja debajo de la superficie, se hundirá rápidamente.

Las burbujas son esencialmente de borde y, como resultado, son más fuertes de lo que serían de otra manera, actuando de manera similar a los globos. Pero como todo está en la superficie, son mucho más débiles que los globos, lo que explica su tendencia a romperse fácilmente.

Creo que es lo mejor que se le puede explicar a un niño de 5 años, pero en realidad es un área activa de investigación. En términos generales, las mezclas de agua/gas y aire se denominan espumas y tienen unas propiedades muy interesantes. Pero le ahorraré esos detalles a tu hijo de 5 años ;-)

Algunas burbujas corren como el agua

Algunos vuelan, algunos caen y otros caen.

Todas las respuestas anteriores son correctas. La estructura de las burbujas es el resultado de la tensión superficial . Y eso les da una forma esférica cuando están aislados. Pero , ¿por qué una forma esférica? La razón es que la esfera es la forma que tiene la menor superficie para su volumen. Dado que la tensión superficial tiende a minimizar la superficie sin cambiar el volumen. naturalmente conduce a esta forma esférica.

Si haces burbujas unidas a un marco de alambre , puedes obtener formas extrañas y hermosas que son las superficies mínimas que atraviesan las líneas formadas por el alambre. Se pueden encontrar muchos ejemplos en Internet (busque: bubble wireframe). Las burbujas pueden resolver algunos problemas de minimización.

Un aspecto de la tensión superficial es que en realidad es una fuerza muy débil. Puede mantener el aire dentro de una burbuja, sin demasiada presión, porque el aire es muy ligero, pero no puede hacer mucho más. No podría mantener unida una burbuja llena de agua porque el agua es demasiado pesada para él, a menos que considere burbujas muy pequeñas como las que ve en las hojas por la mañana o después de la lluvia. Las gotas de agua son en realidad burbujas de agua . Y son demasiado pesados ​​para volar.

Las cosas son muy diferentes en el espacio, y generalmente en caída libre, ya que las cosas ya no tienen peso. Entonces puedes formar grandes burbujas de agua porque la tensión superficial ya no tiene que luchar contra la gravedad. Estas burbujas no colapsarán ya que las moléculas en la superficie pueden ser reemplazadas por moléculas en el interior. Pero cambian fácilmente de forma si los tocas porque el líquido no es comprimible (como el aire) y propagará el impulso desde tu dedo. También pueden fluir como cualquier líquido si tratas de apretarlos en tu mano. Pero cuando se dejan solos, vuelven a su forma redonda.

Varias películas están disponibles en la web: Burbuja de agua en el espacio (gravedad cero) y Física espacial: la ciencia de las esferas líquidas en gravedad cero

Finalmente, existe otro tipo de burbujas: las burbujas de gas creadas en el agua . Estas burbujas contienen gas, pero están sumergidas en líquido. Al ser más ligeros que el medio circundante, "caen" hacia la superficie del líquido (debido al principio de Arquímedes). También mantienen una forma esférica debido a la tensión superficial. Pero pueden deformarse a medida que las fuerzas de propagación del líquido circundante. Si crea grandes burbujas de gas en el agua, también fluirán a través de sus dedos si intenta atraparlas. Esto se puede experimentar fácilmente en una bañera, soplando aire con un tubo de goma o incluso con una pajita.

Para resumir, hay 3 tipos de burbujas . Todos ellos tienen en común una superficie hecha de líquido, que tiende a tomar una forma esférica debido a la tensión superficial.

• algunos tienen aire adentro y aire afuera . Por lo tanto, son muy ligeros y pueden volar fácilmente con la brisa. Son los más bellos debido a los efectos ópticos de las finas películas transparentes . Pero también son los más frágiles y desaparecen si la delgada superficie del líquido se rompe por alguna razón. Como solo tienen aire por dentro y por fuera, permanecen siempre cerca de su forma esférica porque la compresibilidad del aire amortiguará cualquier intento de propagar una fuerza que cambiaría su forma.

• algunos tienen agua adentro y aire afuera . Suelen ser pesados ​​y se caen. Estas son gotas en la tierra. Algunos son tan pequeños que son lo suficientemente ligeros para volar (un problema de relación masa-superficie), y constituyen niebla y nubes. Pero también son demasiado pequeños para ser visibles a simple vista. Cuando están en caída libre en el espacio, a bordo de un satélite, ya no están sujetos a la gravedad y pueden ser muy grandes. Pueden perder temporalmente su forma cuando se tocan porque el líquido en su interior propaga fuerzas.

• algunos tienen aire adentro y agua afuera . Son muy ligeros y se "caerán" porque son más ligeros que el líquido circundante. Sin embargo, en el espacio, dado que no hay peso, no caerán en ninguna dirección, exactamente como el agua burbujea en el aire. Pueden tener su forma esférica alterada por la propagación de fuerzas a través del líquido incompresible exterior.

Los dos últimos tipos (con agua afuera o agua adentro) pueden fluir, es decir, pueden correr como el agua , ya sea para subir o para bajar. Las burbujas con aire dentro y fuera flotan y no necesitan fluir. No hay mucho para hacerlos fluir ya que son muy ligeros, con muy poco que pueda transportar fuerzas, por lo que la tensión superficial es la fuerza dominante. Además, son tan frágiles que es probable que aplicar fuerzas simplemente los destruya. Aún así, sospecho que es muy difícil, pero tal vez no imposible, hacer que fluya una burbuja de este tipo, por ejemplo, alrededor de un borde que la cortaría en dos, siempre que sus parámetros (tamaño) sean tales que las "medias burbujas" aún serían viables. .

Con la ayuda de películas, observando gotas de agua sobre una superficie aceitosa, observando burbujas en agua con gas o creadas en un vaso con una pajita, en realidad hay mucho que contarle a un niño y experimentar con él. Véase, por ejemplo, en el sitio del MIT , que incluye una imagen de un insecto caminando sobre el agua. También hay películas de Water Striders Walking on Water.

Nota: usé indistintamente "aire" y "gas", o "agua" y "líquido", ya que esta respuesta no pretende ser demasiado técnica.

Le diría que las burbujas contienen agua y que el agua es pegajosa. Le recordaría que incluso después de dejar que el agua se escurra de sus manos por gravedad, todavía necesita secarselas con una toalla (a menos que use un secador de manos eléctrico), porque parte del agua se pega. Es más fácil ver la espuma que ver el agua, porque la espuma está inflada con aire y ocupa más espacio, pero seguramente puede sentir cuando el agua pura se pega a su piel.

Probablemente, en esta etapa, ella no forzará la pregunta a la atracción electrostática, lo cual es una suerte porque entonces estás en el punto en el que estaba Richard Feynman cuando no podía explicarle a un reportero cómo funcionan los imanes. Así que una "explicación" de consistencia (es decir, esto actúa así porque es así, y ya lo das por sentado) probablemente será suficiente.