Una burbuja es un glóbulo de una sustancia en otra, generalmente gas en un líquido . [1] Debido al efecto Marangoni , las burbujas pueden permanecer intactas cuando alcanzan la superficie de la sustancia inmersiva.
Ejemplos comunes
Las burbujas se ven en muchos lugares de la vida cotidiana, por ejemplo:
- Como nucleación espontánea de dióxido de carbono sobresaturado en refrescos.
- Como vapor de agua en agua hirviendo
- Como aire mezclado con agua agitada, como debajo de una cascada
- Como espuma de mar
- Como una pompa de jabón
- Como se desprende de reacciones químicas, p. Ej., Bicarbonato de sodio + vinagre
- Como gas atrapado en vidrio durante su fabricación.
- Como indicador en un nivel de burbuja
Física y Química
Las burbujas se forman y se fusionan en formas globulares, porque esas formas se encuentran en un estado de menor energía. Para conocer la física y la química detrás de esto, consulte nucleación .
Apariencia
Las burbujas son visibles porque tienen un índice de refracción (IR) diferente al de la sustancia circundante. Por ejemplo, el RI del aire es aproximadamente 1.0003 y el RI del agua es aproximadamente 1.333. La ley de Snell describe cómo las ondas electromagnéticas cambian de dirección en la interfaz entre dos medios con diferentes IR; por lo tanto, las burbujas pueden identificarse a partir de la refracción y la reflexión interna que las acompañan , aunque tanto el medio sumergido como el sumergido sean transparentes.
La explicación anterior solo es válida para burbujas de un medio sumergidas en otro medio (por ejemplo, burbujas de gas en un refresco); el volumen de una burbuja de membrana (por ejemplo, una burbuja de jabón) no distorsionará mucho la luz, y solo se puede ver una burbuja de membrana debido a la difracción y la reflexión de la película delgada .
Aplicaciones
La nucleación se puede inducir intencionalmente, por ejemplo, para crear un diagrama de burbujas en un sólido.
En la ecografía médica , se utilizan pequeñas burbujas encapsuladas llamadas agente de contraste para mejorar el contraste.
En la impresión por inyección de tinta térmica , las burbujas de vapor se utilizan como actuadores. Ocasionalmente se utilizan en otras aplicaciones de microfluidos como actuadores. [2]
El colapso violento de las burbujas ( cavitación ) cerca de superficies sólidas y el chorro resultante que choca constituyen el mecanismo utilizado en la limpieza ultrasónica . El mismo efecto, pero a mayor escala, se utiliza en armas de energía concentrada como la bazuca y el torpedo . Los camarones pistola también usan una burbuja de cavitación que colapsa como arma. El mismo efecto se usa para tratar los cálculos renales en un litotriptor . Los mamíferos marinos como los delfines y las ballenas usan burbujas para entretenerse o como herramientas de caza. Los aireadores provocan la disolución del gas en el líquido al inyectar burbujas.
Los ingenieros químicos y metalúrgicos confían en las burbujas para operaciones como destilación, absorción, flotación y secado por aspersión. Los complejos procesos involucrados a menudo requieren consideración de la transferencia de masa y calor, y se modelan utilizando la dinámica de fluidos . [3]
El topo de nariz estrellada y la musaraña acuática estadounidense pueden oler bajo el agua al respirar rápidamente por la nariz y crear una burbuja. [4]
Pulsación
Cuando se alteran las burbujas (por ejemplo, cuando se inyecta una burbuja de gas bajo el agua), la pared oscila. Aunque a menudo está enmascarado visualmente por deformaciones de forma mucho más grandes, un componente de la oscilación cambia el volumen de la burbuja (es decir, es la pulsación) que, en ausencia de un campo de sonido impuesto externamente, se produce en la frecuencia natural de la burbuja . La pulsación es el componente más importante de la oscilación, acústicamente, porque al cambiar el volumen del gas, cambia su presión y conduce a la emisión de sonido a la frecuencia natural de la burbuja. Para las burbujas de aire en el agua, las burbujas grandes ( tensión superficial y conductividad térmica insignificantes ) sufren pulsaciones adiabáticas , lo que significa que no se transfiere calor del líquido al gas o viceversa. La frecuencia natural de tales burbujas está determinada por la ecuación: [5] [6]
dónde:
- es la relación de calor específico del gas
- es el radio de estado estable
- es la presión de estado estable
- es la densidad de masa del líquido circundante
Para las burbujas de aire en el agua, las burbujas más pequeñas experimentan pulsaciones isotérmicas . La ecuación correspondiente para pequeñas burbujas de tensión superficial σ (y viscosidad del líquido despreciable ) es [6]
Las burbujas excitadas atrapadas bajo el agua son la principal fuente de sonidos líquidos , como el interior de nuestros nudillos durante el crujido de los nudillos, [7] y cuando una gota de lluvia impacta en la superficie del agua. [8] [9]
Fisiología y medicina
La lesión por formación de burbujas y crecimiento en los tejidos corporales es el mecanismo de la enfermedad por descompresión , que ocurre cuando los gases inertes disueltos sobresaturados dejan la solución como burbujas durante la descompresión . El daño puede deberse a la deformación mecánica de los tejidos debido al crecimiento de la burbuja in situ o al bloqueo de los vasos sanguíneos donde se ha alojado la burbuja.
La embolia gaseosa arterial puede ocurrir cuando se introduce una burbuja de gas en el sistema circulatorio y se aloja en un vaso sanguíneo que es demasiado pequeño para pasar a través de la diferencia de presión disponible. Esto puede ocurrir como resultado de la descompresión después de una exposición hiperbárica, una lesión por sobreexpansión pulmonar , durante la administración de líquidos por vía intravenosa o durante una cirugía .
Ver también
- Sonoluminiscencia
- Fusión de burbujas
- Espuma
- Acústica subacuática
- Resonancia de Minnaert
- Antiburbuja
Referencias
- ^ Subramanian, R. Shankar; Balasubramaniam, R. (9 de abril de 2001). El movimiento de burbujas y gotas en gravedad reducida . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780521496056.
- ^ RJ Dijkink, JP van der Dennen, CD Ohl, A. Prosperetti , El 'festón acústico': un actuador accionado por burbujas , J. Micromech. Microeng. 16 1653 (2006)
- ^ Weber; et al. (1978). Burbujas, Gotas y Partículas . Nueva York: Publicaciones de Dover. ISBN 978-0-486-44580-9.
- ^ Roxanne Khamsi. "El topo de nariz estrellada puede oler bajo el agua, revelan videos" .
- ^ Minnaert, Marcel, Sobre las burbujas de aire musicales y los sonidos del agua corriente, Phil. revista 16, 235 - 248 (1933).
- ↑ a b Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Académico, Londres, 1994).
- ^ Chandran Suja, V .; Barakat, AI (29 de marzo de 2018). "Un modelo matemático para los sonidos producidos por el crujido de nudillos" . Informes científicos . 8 (1): 4600. Bibcode : 2018NatSR ... 8.4600C . doi : 10.1038 / s41598-018-22664-4 . ISSN 2045-2322 . PMC 5876406 . PMID 29599511 .
- ^ Prosperetti, Andrea; Oguz, Hasan N. (1993). "El impacto de las gotas en las superficies líquidas y el ruido submarino de la lluvia". Revisión anual de mecánica de fluidos . 25 : 577–602. Código Bibliográfico : 1993AnRFM..25..577P . doi : 10.1146 / annurev.fl.25.010193.003045 .
- ^ Rankin, Ryan C. (junio de 2005). "Bubble Resonance" . La física de las burbujas, las antiburbujas y todo eso . Consultado el 9 de diciembre de 2006 .