Grande Bolha

Áreas do conhecimento ligadas ao experimento

Óptica;

Química.

Princípios físicos ligados ao experimento

Refração;

Tensão superficial.

Princípios correlatos ao experimento

Forças de coesão;

Forças de adesão.

Descrição do experimento

A Grande bolha é um experimento que nos permite observar dois fenômenos importantes que estão associados à Óptica e a Química, que são: a refração e a tensão superficial.

Na parte inferior do aparelho, há um pequeno reservatório (a) contendo um líquido espumante onde um aro metálico (b) se encaixa. Um sistema de polias, através de um cabo que está fixo ao aro, pode suspendê-lo até uma determinada altura, como mostra a foto ao lado. Quando o aro metálico começa a ser erguido, devido às presenças de forças intermoleculares entre as moléculas do líquido (coesão) e entre o aro e o líquido (adesão), surge uma grande bolha, cujo perfil é ressaltado pela seta (c). Em cada ponto da bolha, por conta do fenômeno da refração, é possível observar tons de cores diferentes.

Conceitos importantes!

Antes de falarmos sobre o funcionamento do experimento, é necessário lembrarmos de três conceitos: um ligado à Física (refração) e dois ligados à Química (força de coesão e força de adesão).

Refração: Quando um feixe de luz incide sobre uma superfície (S) que separa dois meios e parte dessa luz passa para o outro meio, diz-se que ocorreu a refração da luz; e, nessa passagem, ocorre variação na velocidade do raio de luz. Vale lembrar que: quando o raio de luz passa do meio menos refringente (menor resistência à propagação da luz) para o meio mais refringente (maior resistência), o módulo de sua velocidade diminui. Se a incidência da luz não for normal, a luz refratada irá se aproximar da normal (N) no ponto de incidência. Quando a luz incidente for policromática, haverá, na refração, a ocorrência do fenômeno da dispersão da luz (separação da luz branca nas sete cores do espectro).

Força de coesão – São forças de atração de origem intermoleculares que ocorrem entre substâncias químicas de mesma espécie (moléculas que compõem a bolha de sabão).

Força de adesão – São forças de atração de origem intermoleculares que ocorrem entre substâncias químicas de espécies diferentes (moléculas do aro metálico e do líquido).

Como o experimento funciona

Na medida em que o aro começa a subir, a espessura da parede circular da bolha começa a diminuir. Em conseqüência da variação na espessura da película, vamos ter, cada vez mais, variações nos ângulos de refração da luz e, devido ao fenômeno da dispersão da luz (separação da luz branca nas sete cores do espectro), teremos colorações distintas em cada fase da subida do aro metálico.

É importante lembrar que as forças intermoleculares (coesão), responsáveis pela manutenção da estrutura da bolha, podem agüentar apenas até certo limite de expansão (a) do aro metálico. A partir daí, haverá ruptura da bolha em algum ponto entre o aro e a base do experimento, onde se encontra o acúmulo do líquido. No momento em que a bolha arrebentar, é oportuno que o monitor faça a seguinte pergunta aos visitantes:

Por que a bolha não se rompeu em algum ponto entre o aro e a membrana? Em seguida, o monitor deverá relembrar o conceito de forças de adesão!

Uma excelente analogia...

O experimento da Bolha de água, que foi visto ainda no Roteiro das Águas, traz uma excelente analogia sobre a atuação das forças de coesão. Note que, quando o filete de água é lançado por um esguicho central (a), as moléculas de água são mantidas unidas durante a queda (forças de coesão), formando uma cúpula esférica até atingir a base da pia, como mostra a foto ao lado.

Perguntas frequentes

1) Por que na superfície de um líquido, aparentemente tranqüila, os corpos que flutuam neste líquido tendem a ir para as bordas do recipiente que os contém?

Resposta: Vamos abordar duas situações distintas:

a) Recipiente parcialmente cheio: neste caso, forma-se uma superfície côncava entre as bordas do recipiente e, quanto menor for o seu diâmetro, maior será o encurvamento dessa superfície; aumentando, assim, a tensão superficial em suas bordas, o que puxará o corpo flutuante para as bordas do recipiente, devido às interações de origem intermoleculares.

b) Recipiente quase transbordando: Agora, forma-se uma superfície convexa entre as bordas do recipiente. Quando o recipiente estiver cheio e quase transbordando, será formada uma cúpula e, no vértice dessa calota, a tensão superficial será bem maior. Assim, um corpo que flutua nessa superfície irá, aos poucos, sendo atraído para a parte central do recipiente.

Desse modo, só a situação (a) é que comprova a afirmação feita na pergunta.

2) Por que uma pequena massa de água (gota) quando cai assume a forma esférica?

Resposta: Como se sabe, toda configuração de equilíbrio estável corresponde a um mínimo de energia potencial do sistema. Assim, devido às forças de interações entre as moléculas que formam a superfície dos líquidos (tensão superficial), quanto menor a área de exposição da massa líquida em relação ao meio externo, menor será a energia potencial dispensada pelo sistema, o que acontece no caso da forma esférica.