Le bolle di sapone

Nino Martino

l’importanza del metodo di ricerca: cosa c’è dietro l’apparente banalità del gioco con le bolle di sapone? report da un corso di formazione sull’educazione scientifica nella primaria tenuto a Ilbono

rendiamo due bicchieri trasparenti.

Nel primo mettiamo acqua del rubinetto.

Nel secondo mettiamo acqua, sapone liquido per piatti e glicerina. In che proporzioni? A caso, per il momento. Diciamo un po’ di tutto..

Provate a fare delle bolle con una cannuccia immersa nei due liquidi. Con quella immersa in acqua semplice non riusciamo a fare delle bolle che durano. L’aria fa delle bolle nell’acqua ma queste si rompono subito. Con quella immersa nell’acqua saponata si riescono a fare delle bolle che durano.

Prima domanda: perché?

Non viene data ovviamente, in questa fase, alcuna risposta, ma quello che faremo in seguito dovrà in qualche modo risponderci.

Facciamo una bolla di sapone. Questa appare di forma sferica ed è piena di colori.

Seconda domanda: perché le bolle di sapone sono colorate?

Terza domanda: perché sono sferiche?

L’attenzione si sposta sui colori. Perché l’attenzione si sposta sui colori? Non c’è un motivo particolare, forse perché i colori sono belli. Non ha importanza quale piega prenda il discorso, esamineremo comunque tutti gli aspetti, ma se la classe reale vuole parlare prima dei colori parliamo prima dei colori.

Faccio fare un’altra esperienza: si immerge un occhiello di fil di ferro abbastanza sottile dentro l’acqua saponata. Quando lo si tira fuori c’è una lamina di acqua saponata. Lo mettiamo con il piano della lamina verticale e osserviamo. Tutti costruiscono e prendono un occhiello di fil di ferro e fanno varie prove.

Dal punto di vista dei colori appaiono delle bande colorate, non subito. Le bande colorate sono orizzontali e comprendono in ciascuna tutti i colori, in sequenza, sempre la stessa, e incominciano lentamente a scivolare verso il basso.

Perché appaiono delle bande colorate? Perché scivolano lentamente verso il basso? Perché sono con i contorni irregolari?

Apparentemente saltelliamo e facciamo delle bolle di sapone sul tavolo. Questo ci permette di osservare con calma e senza “ansia” temporale. Bagnamo la superficie del tavolo con acqua saponata e poi facciamo una bolla sopra il tavolo. La bolla si dispone subito a forma di semisfera. Il problema che sorge subito è perché è a forma di semisfera sul tavolo e invece a forma di sfera in aria. Ci sono vari tentativi, infruttuosi, di fare delle bolle sferiche appoggiate sul tavolo: si dispongono sempre come semisfere. Abbandoniamo temporaneamente il problema e ci concentriamo di nuovo sui colori.

Quando la bolla è appena fatta non ci sono colori. Poi dopo un poco si formano i colori, passando il tempo i colori si muovono, si agitano. Poi dopo un poco appaiono delle zone senza colore, grigiastre, in cima alla bolla e poi la bolla scoppia.

Viene fatta una spiegazione di questo tipo: l’apparire dei colori dipende dallo spessore della lamina di acqua saponata. Questa ipotesi spiega il comportamento osservato, sia nelle bolle, sia nelle lamine. Poiché c’è la gravità, lo spessore della lamina verticale non può essere uguale, lungo la direzione verticale. Sarà più sottile in cima e più spessa in fondo. L’acqua comunque tende a scorrere verso il basso e lo spessore in basso aumenta. Questa variazione di spessore continua nel tempo secondo la direzione verticale. Allora se i colori, l’apparire delle bande, dipendono dallo spessore della lamina ecco che le bande colorate si spostano verso il basso. A un certo punto, in alto, la lamina è troppo sottile e si rompe.

Per quanto riguarda la bolla è la stessa cosa. Appaiono i colori quando la lamina è abbastanza sottile, i colori si muovono e si spostano a seconda delle variazioni dello spessore della lamina, perché l’acqua tende ad andare verso il basso. A un certo punto, in alto, lo spessore diventa molto sottile, spariscono i colori e la bolla si rompe. I colori che si spostano sulla bolla sono sensibili anche alle minime correnti d’aria intorno. Il meccanismo dello spessore appare molto sensibile. Altro esempio di film sottile che produce l’effetto dei colori è un poco di benzina su una pozza d’acqua: la benzina si dispone in un film sottile e appare colorata a seconda del punto di vista.

Ma i colori sono presenti nell’acqua? No. Allora saranno presenti nella luce. Ma la luce non appare colorata. Possiamo fare due tipi di esperimento: levare la luce o mandare luce colorata. Levare la luce crea un problema: non ci si vede più niente, lasciamo dunque perdere. Come si fa a mandare una luce clorata? La prossima volta useremo la luce rossa di un laser, ma forse si potrebbe usare una lampada con un filtro rosso o verde davanti. Da provare.

Se usiamo un cd per esaminare la luce, vediamo che la luce dei tubi al neon si scompone in tanti colori. Anche la luce naturale che c’è fuori si scompone in tanti colori. Ma c’è una differenza: la luce del neon si scompone in bande colorate nette, invece la luce naturale si scompone in bande colorate che sfumano le une nelle altre, i colori variano in modo continuo, mentre nella luce al neon no. Si possono utilizzare anche dei prismi, ovviamente, anche se non lo abbiamo fatto perché in quel momento non avevamo prismi e proiettori, ma si può fare e si vede molto meglio il fenomeno. Il problema è che la luce quando passa da un mezzo ad un altro, nel prisma aria-vetro-aria, si comporta in modo differente a seconda del colore, e i colori che prima erano tutti insieme si separano. Per il cd è un problema più complicato: è un problema di interferenza.

Si tratta di far vedere bene che la luce ha tanti colori uniti. La prossima volta vedremo la luce di una stufetta elettrica, come si comporta, oppure la luce di una penna laser.

Viene data poi una spiegazione, ad uso interna e non molto usabile con i bambini, sull’interferenza della luce e sui colori. Ma qui sono necessarie un po’ di nozioni, a parte farò uno scritto, con figure, in cui cercherò di spiegare il perché della interferenza e dei colori.

Adesso l’attenzione si sposta sulla seconda domanda iniziale: perché con l’acqua semplice non si formano bolle durature e invece con l’acqua saponata si formano bolle durature? Sembra che la presenza del sapone alteri in qualche modo le proprietà dell’acqua, che alteri la forza di coesione dell’acqua.

La domanda che faccio è la seguente:

chi ha la maggiore forza di coesione: l’acqua normale o l’acqua saponata?

Tutti rispondono che ha maggiore forza di coesione l’acqua saponata. E’ sempre così. Finora non ho mai incontrato qualcuno che dicesse il contrario. Non si fa un ragionamento per esperienza diretta, ma si fa un ragionamento probabilmente di questo tipo: i palloncini sono tenuti insieme dalla forza elastica della gomma, e la bolla dura è perché l’acqua saponata sta meglio coesa, c’è più forza di coesione, e poi, in genere, per mantenere una cosa nel tempo ci vuole più “forza”, senza molta forza le cose svaniscono e scompaiono, nel tempo.

Parliamo un po’ di questa forza di coesione dell’acqua, in genere. Come possiamo fare un ‘esperienza per far vedere la forza di coesione dell’acqua?

Prendiamo un bicchiere d’acqua, sulla superficie dell’acqua poggiamo un pezzettino di uno dei veli di carta igienica. La carta igienica galleggia. Sul pezzettino di carta poggiamo un ago. la carta igienica si imbeve di acqua e dopo un po’ affonda. E l’ago? L’ago rimane a galleggiare! Se io vado a vedere da vicino è come se l’acqua si incurvasse e tenesse su l’ago. Questo esperimento mostra quello che poi si chiama in termini fisici “tensione superficiale dell’acqua”, che è collegata alla forza di coesione dell’acqua.

Un esempio conosciuto da tutti è quello degli insetti che si muovono sull’acqua: sono molto leggeri e hanno le zampe molto lunghe e toccano l’acqua in otto punti molto lontani fra di loro, l’acqua si “curva” e sostiene il peso distribuito e diviso per otto.

E l’acqua saponata? Proviamo un esperimento … catastrofico. Mentre l’ago galleggia sull’acqua, tranquillo e sicuro di sé, facciamo cadere una sola goccia di acqua saponata ( nemmeno di sapone liquido concentrato…) nel bicchiere. Immediatamente l’ago va a fondo! La tensione superficiale è diminuita drasticamente!

Allora la tensione superficiale dell’acqua saponata è molto inferiore alla tensione superficiale dell’acqua normale, contrariamente a quello che ritenevano tutti.

Un’insegnante prova allora subito a versare delle gocce di acqua e di acqua saponata su una bolla già fatta. E si osserva il seguente fenomeno. La goccia aggiunta di acqua saponata viene inglobata nella superficie della sfera mentre la goccia d’acqua pura passa attraverso la bolla e cade sulla superficie sottostante. Non ho una chiara spiegazione da fornire per questo fenomeno, mi spiace, ma è quello che si osserva.

Sul metodo usato: si trovano delle questioni che per un motivi o per l’altro ci fanno pensare una certa cosa e poi si fa un esperimento che ci dimostra che quella cosa che pensavamo era sbagliata. L’abbiamo già incontrato, il metodo, con il pendolo. Quando tutti ritenevano che il peso attaccato influenzasse il periodo del pendolo. Abbiamo fatto la prova e abbiamo visto che a parità di tutte le altre condizioni e variabili possibili, il peso NON influenzava il periodo del pendolo. Notate che un’insegnante del corso ha riferito poi che ha quasi litigato con suo figlio per questo, suo figlio era estremamente convinto che il peso influenzasse il periodo di oscillazione… Questo si crede perché il peso fa oscillare il pendolo. Senza peso non oscilla niente. In una navicella spaziale il pendolo non oscilla, gira, semplicemente, non torna indietro come sulla terra. Il peso influisce nel senso che se cambiamo gravità cambia il periodo. Ma a parità di gravità posso mettere un peso o un peso doppio e il risultato non cambia. Questo è strettamente imparentato con il fatto che gli oggetti che cadono in assenza di attrito cadono tutti nella stessa maniera indipendentemente dal loro peso…

Non abbiamo risolto con un discorso, abbiamo fatto ricorso all’esperienza, che a volte contraddice quello che pensiamo. Si pensano delle esperienze particolari che confutano o meno quello che diciamo.

Si cerca anche di fare un altro tipo di esperimento per far vedere che c’è una forza di coesione nell’acqua saponata. Si fa un cerchietto di metallo, poi un cappio filo legato al cerchietto. Si immerge il ttuo nell’acqua saponata. Si forma una una lamina unica che comprende anche il filo a cappio. Dopo un po’ di tentativi una insegnante trova un metodo per fare bene: il filo si attacca con se stesso. Allora con una punta di un ago bagnato separa bene il cappio. Adesso c’è un filo chiuso di forma irregolare all’interno della lamina. Con la punta di un cappuccio di penna biro si rompe la lamina all’interno del cappio che si dispone immediatamente a forma circolare. Poiché il cappio è tenuto troppo teso ai due capi, si forma una forma lenticolare, simmetrica. Questo avviene perché l’acqua saponata “tira” con la stessa forza in tutte le direzioni.

Questo costituisce anche una risposta all’angosciosa domanda esistenziale “ma perché le bolle di sapone sono sferiche?”

Questo succede perché la forza di coesione è uguale in tutte le direzioni, non ci può essere una direzione privilegiate e la superficie che corrisponde a nessuna direzione privilegiata è la sfera, assolutamente simmetrica.

Osservo peraltro qui che la forma non è perfettamente sferica, perché c’è la forza di gravità, verso il basso, la sfera è deformata verso il basso dalla forza di gravità.

Un’altra insegnante ancora fa due bolle attaccate insieme: la superficie di separazione tra le due semisfere è assolutamente piatta e verticale. La spiegazione di questo porta un po’ troppo lontano, faremo delle strutture metalliche di varia forma per vedere cosa succede.

L’altra cosa che dovremo fare è quella di variare le proporzioni per vedere quale proporzione è migliore. Poi le ricette in internet mettono come componente la glicerina. Che funziona ha la glicerina?

Si decide di fare questo esperimento. Si formano diverse soluzioni con diverse percentuali ad es. di glicerina. Si fanno delle bolle con le diverse soluzioni e si affiancano le une alle altre e si osserva il oro comportamento.

Nota

Era stato portato un altro detersivo per piatti, che funzionava meno ben. In ogni caso agitando l’acqua con questo detersivo appariva una opacità, dovuta a tante nicrobollicine. Poi, con il tempo questa opacità spariva. E’ bastato aggiungere altro sapone liquido per eliminare questa opacità da … agitazione-

Ulteriore osservazione: i due bicchieri con l’acqua saponata erano assolutamente privi di bolle d’aria attaccate al recipiente, mentre il bicchiere che conteneva solo acqua aveva le bollicine d’aria attaccate alle pareti. Perché?

Seconda parte

Abbiamo fatto degli esperimenti con il laser e le bolle di sapone. Se i colori provenivano dalla luce apparentmente bianca, che cosa si sarebbe visto con la luce rossa di un laser? Abbiamo fatto ripetuti esperiementi ed evidentmente non abbiamo visto colori al di fuori del rosso. Ma colpendo le bolle sotto certe angolazioni, sulla parete si potevano osservare delle righe rosse e nere. Vedevamo le frange di interferenza. A dimostrazione del fatto che i colori sono frutto di una interferenza della luce stressa, rifelssa dalle due facce della stessa parete della bolla. Questa riflessione doppia crea un cammino differebte fra i due raggi riflessi. Se la differenza di cammino è tale da creare interferenza distruttiva per le onde, diciamo, blu, allora si vede il rosso ecc.

Infatti con la luce rossa del laser dove c’è interferenza distruttiva si vede nero, ovvero assenza di luce.