Burbuja (física)

Una burbuja es un glóbulo de una sustancia gaseosa en un líquido. En el caso opuesto, un glóbulo de un líquido en un gas se denomina gota . ^[1] Debido al efecto Marangoni , las burbujas pueden permanecer intactas cuando alcanzan la superficie de la sustancia inmersa.

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 en agua hirviendo
• Como el aire mezclado con agua agitada, como debajo de una cascada
• Como espuma de mar
• Como una pompa de jabón
• Tal como se desprende en reacciones químicas, por ejemplo, bicarbonato de sodio + vinagre.
• Como un gas atrapado en el vidrio durante su fabricación.
• Como indicador en un nivel de burbuja
• Como chicle

Las burbujas se forman y se fusionan en formas globulares porque esas formas se encuentran en un estado de energía más bajo. Para conocer la física y la química que las sustentan, consulte nucleación .

Las burbujas son visibles porque tienen un índice de refracción (IR) diferente al de la sustancia que las rodea. Por ejemplo, el IR del aire es aproximadamente 1,0003 y el 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 IR diferente; por lo tanto, las burbujas se pueden identificar a partir de la refracción y la reflexión interna que las acompañan, aunque tanto el medio sumergido como el medio que se sumerge sean transparentes.

La explicación anterior sólo 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 distorsiona mucho la luz y sólo se puede ver una burbuja de membrana debido a la difracción y reflexión de película delgada .

La nucleación se puede inducir intencionalmente, por ejemplo, para crear un bubblegram en un sólido.

En las imágenes por ultrasonido médico , se utilizan pequeñas burbujas encapsuladas llamadas agente de contraste para mejorar el contraste.

En la impresión por inyección térmica , las burbujas de vapor se utilizan como actuadores. En ocasiones, también se utilizan como actuadores en otras aplicaciones de microfluidos . ^[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 enfocada como la bazuca y el torpedo . El camarón pistola también utiliza una burbuja de cavitación que colapsa como arma. El mismo efecto se utiliza para tratar los cálculos renales en un litotriptor . Los mamíferos marinos como los delfines y las ballenas utilizan las burbujas para el entretenimiento o como herramientas de caza. Los aireadores provocan la disolución del gas en el líquido inyectando burbujas.

Los ingenieros químicos y metalúrgicos utilizan burbujas en procesos como la destilación, la absorción, la flotación y el secado por aspersión. Los complejos procesos involucrados a menudo requieren la consideración de la transferencia de masa y calor y se modelan utilizando dinámica de fluidos . ^[3]

El topo de nariz estrellada y la musaraña acuática americana pueden oler bajo el agua respirando rápidamente por sus fosas nasales y creando una burbuja. ^[4]

Las investigaciones sobre el origen de la vida en la Tierra sugieren que las burbujas pueden haber desempeñado un papel fundamental en el confinamiento y la concentración de moléculas precursoras de la vida, una función que actualmente desempeñan las membranas celulares . ^[5]

Los láseres de burbujas utilizan burbujas como resonador óptico y pueden utilizarse como sensores de presión de alta sensibilidad. ^[6]

Cuando las burbujas se ven perturbadas (por ejemplo, cuando se inyecta una burbuja de gas bajo el agua), la pared oscila. Aunque a menudo esto queda enmascarado visualmente por deformaciones de forma mucho mayores, un componente de la oscilación cambia el volumen de la burbuja (es decir, se trata de una pulsación) que, en ausencia de un campo sonoro impuesto externamente, se produce a 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. En el caso de las burbujas de aire en el agua, las burbujas grandes ( tensión superficial y conductividad térmica despreciables ) experimentan pulsaciones adiabáticas , lo que significa que no se transfiere calor ni del líquido al gas ni viceversa. La frecuencia natural de dichas burbujas está determinada por la ecuación: ^{[7] [8]}

${\displaystyle f_{0}={1 \sobre 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \sobre \rho }}}$

dónde:

• ${\estilo de visualización \gamma}$es la relación de calor específico del gas
• ${\estilo de visualización R_{0}}$es el radio del estado estacionario
• $estilo de visualización p_{0}}$es la presión en estado estacionario
• ${\estilo de visualización \rho}$es la densidad de masa del líquido circundante

En el caso de las burbujas de aire en el agua, las burbujas más pequeñas experimentan pulsaciones isotérmicas . La ecuación correspondiente para burbujas pequeñas de tensión superficial σ (y viscosidad del líquido despreciable ) es ^[8]

${\displaystyle f_{0}={1 \sobre 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \sobre \rho }+{4\sigma \sobre \rho R_{0}}}}}$

Las burbujas excitadas atrapadas bajo el agua son la principal fuente de sonidos líquidos , como el que se escucha dentro de nuestros nudillos cuando los crujimos ^[9] y cuando una gota de lluvia impacta una superficie de agua. ^{[10] [11]}

La lesión por formación y crecimiento de burbujas en los tejidos corporales es el mecanismo de la enfermedad por descompresión , que se produce cuando los gases inertes disueltos sobresaturados salen de la solución en forma de burbujas durante la descompresión . El daño puede deberse a la deformación mecánica de los tejidos debido al crecimiento de burbujas in situ, o al bloqueo de los vasos sanguíneos donde se ha alojado la burbuja.

La embolia gaseosa arterial puede ocurrir cuando una burbuja de gas se introduce en el sistema circulatorio y se aloja en un vaso sanguíneo que es demasiado pequeño para que pueda pasar a través de él debido a la diferencia de presión existente. 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 .

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Burbujas .

• Antiburbujas
• Fusión de burbujas
• Sensor de burbujas
• Espuma
• Resonancia de Minnaert
• Nanoburbuja
• Sonoluminiscencia
• Acústica subacuática