Qual é a física por trás de uma bolha de sabão?

Uma bolha, enquanto ainda existe, é equilibrada por três fatores:
1) Tensão superficial da água com sabão.
2) Pressão interna aplicada pelo ar dentro da bolha na superfície.
3) Pressão atmosférica.

Quando qualquer um deles está desequilibrado, uma força é maior do que as outras e isso faz a bolha estourar.

Se você está falando sobre por que eles estouram na prática? Bem, a superfície da bolha é feita de água com sabão. O sabão é mais leve do que a água, então, quando você cria uma bolha, a água é puxada para o fundo da bolha – empurrando o sabão para cima – devido à gravidade. A tensão superficial da água é maior do que a do sabão, então a parte superior da bolha está ficando mais fraca à medida que mais sabão é concentrado no topo. Em breve, a pressão interna será suficiente para romper a bolha, fazendo-a estourar.

Outro motivo é que a água evapora, deixando-a com uma solução mais concentrada de sabão que – como citado acima – possui uma tensão superficial mais baixa.

Uma bolha sempre se comporta de acordo com os princípios da “dinâmica da bolha”. Eles são regidos pela equação de Rayleigh-Plesset . Conforme descrito por @mikhailcazi;

Uma bolha, enquanto ainda existe, é equilibrada por três fatores:

1) Tensão superficial da água com sabão.

2) Pressão interna aplicada pelo ar dentro da bolha na superfície.

3) Pressão atmosférica.

as 3 pressões são essenciais para o comportamento da bolha. No entanto, a bolha não estala imediatamente quando as pressões internas aumentam ( Brennen explica isso de forma excelente. Existem fenômenos como o crescimento e o colapso da bolha. Você pode verifique se você está estudando a bolha de sabão em detalhes e deseja usar a abordagem Lagrangiana para o mesmo. Algumas suposições para a equação de Rayleigh-Plesset que você precisa lembrar:

1. Bolha é considerado esférico ao longo de sua vida
2. A transferência de massa através da parede da bolha é considerada insignificante, existem muitos outros sobre transferência de calor, mas estes serão suficientes para o caso de bolha de sabão simples que você precisa.

E para responder à sua pergunta;

Que processo dinâmico de fluido ocorre durante o estouro de uma bolha de sabão?

Basicamente, são as variações de pressão que ocorrem dentro da bolha devido às variações da pressão externa (ambiente). A força da tensão superficial ajusta pela mudança no raio que ocorre devido à expansão / contração da bolha; e equilibra as pressões até que a película de sabão fique muito fina.

Comentários

• Boa resposta. Apenas um pequeno comentário: uma bolha não ' nem sempre se comporta de acordo com a equação de Rayleigh-Plesset. Isso só acontecerá se a suposição principal dessa equação for válida, que é o caso de a bolha ser esférica. Para bolhas pequenas e não confinadas, esta é uma suposição justa, mas para bolhas maiores ou no caso de paredes próximas ela irá quebrar.
• @Michiel; sim, devo ' ter esquecido de adicionar a suposição muito importante na equação Rayleigh-Plesset. Vou adicionar também.

Pergunta número 1: uma bolha de sabão fica preta quando estoura, porque?

Resposta: Quando uma bolha de sabão estoura, ela parece preta devido à interferência destrutiva. Quando uma bolha estoura,

1. Sua espessura se torna insignificante, ou seja, espessura ≈ 0, e
2. A condição para interferência destrutiva é satisfeita. $$ 2nt = m \ lambda, \ tag1 $$ Onde $ n $ é o índice de refração da água, $ m $ é a ordem de uma franja escura, $ \ lambda $ é o comprimento de onda da luz usada e $ t $ é o espessura dos filmes. Assim, quando $ t = 0 $ e $ m = 0 $ obtemos a franja escura de primeira ordem devido à interferência destrutiva. Conseqüentemente, uma bolha de sabão se comporta como uma película fina e, quando estoura, parece preta devido à interferência destrutiva.

Comentários

• Isso é o começo de uma resposta, mas é lamentavelmente incompleta.

Se você olhar em câmera lenta, verá que o estouro de uma bolha de sabão é um tipo de reação em cadeia, eu acho que o sistema de bolhas pode não ser capaz de atingir um estado de energia mais baixo, liberando energia no ambiente. portanto, uma reação resulta em uma pequena liberação de energia, mas abrindo caminho para mais liberações de energia como um processo em cadeia. então o sistema de bolhas entrará em colapso.