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Os fascinantes segredos da Física que se escondem em bolhas coloridas de sabão

Apesar de etéreas e fabricadas a partir das substâncias mais mundanas ― sabão, ar e água ―, elas estão expandindo o horizonte da ciência.

19 nov 2020
07h46
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As bolhas de sabão fascinam por sua beleza e peculiaridade
As bolhas de sabão fascinam por sua beleza e peculiaridade
Foto: Getty Images / BBC News Brasil

As bolhas de sabão são uma diversão para as crianças. E encantam muita gente. Mas, para pesquisadores, são ferramentas incrivelmente poderosas que estão expandindo o horizonte da ciência.

Apesar de etéreas e fabricadas a partir das substâncias mais mundanas ― sabão, ar e água ―, elas estão repletas de segredos e surpresas.

É por isso que fascinam os cientistas há séculos.

"Faça uma bolha de sabão e observe. Você pode estudá-la a vida inteira e terá uma aula de física após a outra", afirmou o renomado físico britânico do século 19, Lord Kelvin.

Kelvin ficou intrigado com a forma como a película delicada da bolha afetava o comportamento da luz.

E, em particular, pelas belas cores que revelava.

Se você olhar de perto, poderá observar não apenas as cores, mas padrões interessantes
Se você olhar de perto, poderá observar não apenas as cores, mas padrões interessantes
Foto: Science Photo Library / BBC News Brasil

Os padrões fantásticos que você observa nas bolhas estão lá porque a película de sabão é muito fina, mede apenas alguns centésimos do diâmetro de um fio de cabelo humano.

Isso significa que a película de sabão tem aproximadamente a mesma espessura de um único comprimento de onda de luz visível.

E as diferentes cores na película correspondem a diferentes comprimentos de onda de luz no espectro.

"Como isso é possível?", se perguntou não apenas Kelvin, mas vários outros cientistas.

"Como pode existir algo tão fino?"

Gota a gota

A resposta tem a ver com a estranha natureza de algo muito cotidiano... a água. E com a formação de gotas.

O orvalho da manhã
O orvalho da manhã
Foto: Getty Images / BBC News Brasil

Como você pode observar nas gotículas acima, a água parece acumulada no interior de uma espécie de cobertura invisível ― e isso acontece porque as moléculas de água na superfície estão sendo puxadas para dentro com muita força.

A água se comporta como se estivesse coberta por uma membrana elástica, o que chamamos de tensão superficial.

A tensão superficial é uma das forças mais delicadas e intrigantes da natureza e sua razão de ser está na forma da molécula de água.

Algo curioso acontece quando os átomos que formam a molécula se unem.

Quando os hidrogênios se ligam ao oxigênio, a molécula não fica reta, mas, sim, retorcida ― e geralmente, um lado da molécula tem carga ligeiramente positiva, e o outro, levemente negativa.

No momento em que outras moléculas de água se aproximam, o lado positivo de umas é atraído pelo lado negativo das outras ― e vice-versa. E as ligações que formam entre si são muito fortes.

O oxigênio fica no topo e os dois hidrogênios, um pouco abaixo
O oxigênio fica no topo e os dois hidrogênios, um pouco abaixo
Foto: Getty Images / BBC News Brasil

Essas ligações fazem com que as moléculas do corpo de água sejam puxadas com a mesma força em todas as direções.

Mas as moléculas na superfície estão sendo apenas puxadas para o interior, como se o resto da água na gota não quisesse soltá-las. É por isso que a superfície da água é como uma membrana elástica.

Mas por que você não consegue fazer bolhas só com água pura?

Porque adicionar detergente à água reduz a tensão da superfície.

Não se pode fazer bolhas com água limpa ou pura porque o que você consegue fazer são bolhas que sobem à superfície e estouram logo, uma vez que a tensão superficial da água é tão forte que destrói a película que as envolve.

A tensão superficial é mais forte do que parece
A tensão superficial é mais forte do que parece
Foto: Science Photo Library / BBC News Brasil

As películas finas das bolhas de sabão são capazes de resistir por muito mais tempo, já que as moléculas de detergente reduzem a tensão superficial da água.

Graças a isso, as bolhas que vemos sempre que nos ensaboamos estão ajudando a resolver alguns dos problemas matemáticos mais complexos da natureza.

Daqui a Júpiter

Na imagem abaixo, você pode observar as tempestades que acontecem na atmosfera de Júpiter.

É um exemplo gigantesco de uma dessas questões difíceis ― as complexas dinâmicas do fluxo de fluidos.

As tempestades em Júpiter
As tempestades em Júpiter
Foto: Getty Images / BBC News Brasil

Os fluxos de fluidos são bonitos, mas também muito complicados de estudar porque são inacessíveis ou invisíveis.

Felizmente, o processo pode ser recriado na superfície de uma bolha de sabão e suas cores usadas para acompanhar o movimento do fluido.

O fluxo de fluidos pode ser estudado a partir de uma bolha de sabão em laboratório
O fluxo de fluidos pode ser estudado a partir de uma bolha de sabão em laboratório
Foto: Science Photo Library / BBC News Brasil

Da mesma forma, fenômenos como os padrões de fluxo das nuvens, por exemplo, ou a forma como a água se desloca ao redor de um objeto sólido podem ser reproduzidos e estudados nas películas de bolhas de sabão em laboratório.

E não é a única coisa que elas têm a nos ensinar.

Solução de problemas matemáticos

As bolhas de sabão resolvem problemas matemáticos.

Basta observar sua busca incomum pela perfeição geométrica: se você as deixa sozinhas, elas se acomodam constantemente até se tornarem esferas perfeitas.

Mas também podem fazer outros truques. Por exemplo, qual é a maneira mais eficiente de unir os cantos de um cubo?

Esta é a melhor maneira!
Esta é a melhor maneira!
Foto: Science Photo Library / BBC News Brasil

Com uma película de sabão, você encontrará a resposta.

Funciona com qualquer forma que você imaginar ― devido à tensão superficial, as películas de sabão vão sempre minimizar sua área de superfície.

É por isso que as bolhas flutuantes são esféricas: essa é a forma geométrica com a menor área de superfície para um determinado volume.

Em um aglomerado de bolhas, cada uma adotará o estado de energia mais baixo possível, levando a uma variedade de formas poligonais curvas.

Observe quantas faces são planas
Observe quantas faces são planas
Foto: Science Photo Library / BBC News Brasil

Essa capacidade de minimizar sua área está na vanguarda da ciência.

Singularidade

As "singularidades" são mudanças repentinas de forma ou estrutura.

Na natureza, são ocorrências comuns. No entanto, incrivelmente difíceis de descrever e entender matematicamente.

"Por muitas décadas, os cientistas têm tentado compreender a matemática da singularidade, o momento em que ocorre a reorganização", afirmou à BBC Ray Goldstein, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

"Mas como são tão não-lineares e difíceis de resolver, ainda estamos no início desse estudo."

"O que esperamos é ser capazes de ver um padrão emergente que nos ensine algo profundo sobre esses tipos de transições, como quando certas estruturas se desprendem do Sol, elas formam lindos filamentos em arco e dão origem a grandes ejeções."

"É difícil estudar o Sol, porque não conseguimos chegar perto dele, enquanto as bolhas de sabão têm a vantagem de podermos estudá-las detalhadamente em laboratório."

Quando uma bolha de sabão se junta a outra, acontece uma mudança na forma e na estrutura instantaneamente.

"A tensão superficial na película de sabão é crucial. Ela garante que façam essas mudanças com o uso mínimo de energia, que é a forma preferida de funcionar da natureza."

É incrível que uma bolha de sabão nos leve a entender o Sol e a singularidade; que algo tão etéreo e belo possa revelar os segredos por trás de alguns dos fenômenos mais estranhos do Universo.

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