Sabun köpüğü

Matematik

Sabun köpükleri minimal yüzeylerin karışık matematiksel problemlerinin fiziksel örnekleridir. Varsayarlar ki; belirli bir hacimde en az yüzey alanına sahip şekillerdir. Doğru bir minimal yüzey: içindeki ve dışındaki basınçlar eşit olan ve bundan ötürü ortalama ‘0’  yüzey eğriliğine sahip bir sabun köpüğüyle daha düzgün örneklenir.  Bir sabun baloncuğu içindeki ve dışındaki basınç farkından dolayı sabit yüzey eğriliğine sahip kapalı bir sabun tabakasıdır.
1884  ten beri  küresel sabun baloncukları havanın belirli bir hacimde en az yüzey alanı ile çevreleme yolu olarak bilindi. (teori ; H.A schwarz).  Bu durum  2000 lere kadar sürdü. İki birleşmiş sabun baloncuğunun, iki belirli hava hacmini farklı büyüklüklerle ve en az yüzey alanıyla çevrelemeye olanak verdiği kanıtlandı. Bu durum çift baloncuk varsayımını ortaya attı.
Bu niteliklerinden dolayı sabun köpüğü tabakları pratik problem çözme uygulamaları olarak kullanıldı. İnşaat mühendisi Frei Otto birkaç noktaya dağılan en küçük yüzey alanının levha geometrisini belirlemek için sabun köpüğü filmlerini kullanmıştır ve bu geometriyi devrimsel gerilim çatı yapılarına çevirmiştir. Bunun en ünlü örneği Montreal’deki Batı Alman Büyük Çadırı Expo67dir.

Kaynaşma

İki baloncuk kaynaştığında çevreledikleri havanın hacmiyle uyumlu olarak ve yüzey alanları olabilecek en küçük değerde bir şekil ortaya çıkar. Eğer baloncuklar eşit büyüklüğe sahipse ortak duvarları düzlemseldir. Eğer eşit büyüklüğe sahip değillerse, ortak duvarları daha büyük olan baloncuğun içindeki şişkinliktir. Çünkü küçük olan büyük olana göre daha büyük iç basınca sahiptir. Bu tahmin Young-Laplace denklemi olarak da bilinir.
3 ya da daha fazla baloncuğun buluştuğu noktada, bu üç baloncuk kendilerini bir çizgi üzerinde buluşacak şekilde bir düzene sokarlar. Bu yüzden yüzey gerilimi her üç yüzey için de eşit olur.  3 baloncuğun aralarındaki açı 120 dereceye eşit olmak zorundadır.  4 baloncuk ise diğer 3 baloncuk duvarının  cos−1(−1/3) ≈ 109.47° açısı ile ayrıldığı bir çizgi üzerinde buluşabilirler. Plateau'nun Kuralları olarak bilinen bu kurallar baloncuklardan nasıl köpük oluştuğunu belirlemek içindir.

Kararlılık

Bir baloncuğun yaşam süresi, suyun çok ince tabakasındaki mikrometre tabaka olarak adlandırılan, dağılma yatkınlığı tarafından kısıtlanır. Bu nedenle hassaslık yırtılma kolaylığı ve şunlara bağlıdır:
İnce sabun tabakası içindeki drenaj: su damlacıkları yer çekimi nedeniyle aşağıya düşüyor. Bu durum gliserol eklemek yerine suyun viskositesi arttırılarak, yavaşlatılabilir. Ancak baloncuklar içinde çok yüksek olmaya devam eden : yaklaşık 13 feet 4 metre civarı kılcal uzunluğu nihai bir sınırdır. Prensip olarak ise ulaşılacak uzunluğun sınırı yoktur.
Buharlaşma: ıslak atmosferde baloncukları üfleyerek ve suya biraz şeker ekleyerek yavaşlatılabilir.
Kir ve yağ: Baloncuk, zemine, duvara veya cildimize değdiğinde genellikle patlar. Bu durum ( tercihen sabun içeren) su ile bu yüzeylerin ıslatılması ile önlenebilir.

Eğitimde baloncuklar

Baloncuklar küçük çocuklar için çeşitli kavramları öğretmek ve keşfettirmek için etkin olarak kullanılabilir.Esneklik, renk oluşumu, yansıtıcı ya da aynalı yüzeyler, iç bükey ve dış bükey yüzeyler, şeffaflık, şekiller; daire, kare, üçgen, küre, küp, tetrahedron, altıgen, elastik, özellikler ve çeşitli karşılaştırmalı boyutlandırma ve burada bahsedilenlerden daha egzotermik amaçlar. Baloncuklar 2 yaşından başlayarak üniversite yıllarını da içine alan bir dönem boyunca kullanışlı bir öğretim konseptidir. İsviçreli üniversite profesörü Dr. Natalie Hartzell, eğlence amaçlı sabun baloncuğu kullanılan çocukların beyninde motor becerileri kontrol ve koordinasyondan sorumlu olan bölgelerinde, baloncuk kullanılmayan çocuklara göre daha olumlu, ölçülebilir,  gelişmeler saptadı ve bunu bir teori haline getirdi. Bu teoriyi doğrularcasına 17. Yüzyıl Flaman resimlerinde kıl borularla sabun kabarcıkları üfleyen çocukların olması, çocukların en az 400 yıldır süregelen bir eğlencesi olduğunu göstermektedir. Londra merkezli,  A. & F. İsimli bir firma John Everett Milais tarafından baloncuklarla oynayan bir çocuğun resmini kullanılmasıyla başlayan bir reklam kampanyası yarattı. Chicago’da Chemtoy isimli bir şirket ise 1940larda kabarcık solüsyonu satmaya başladı ve bu ürün o günlerden günümüze popülerliğini korumaktadır. Bir sanayi araştırmasına göre, perakendeciler yılda yaklaşık olarak 200 milyon şişe solüsyon satıyorlar.

Renkli kabarcıklar

Bir kabarcık havayı çevreleyen şeffaf bir su yapısındadır. Ancak sabun filmi, parazitlenme sonucunda görülebilir ışık dalga boyu kadar ince bir yapıya sahiptir.
Yanardönerlik, küresel şekil ve kırılganlık, çocuklar ve yetişkinler üzerindeki büyülü etkiye katkıda bulunur.Her renk,çeşitli ince sabun köpüğü tabakları tarafından oluşturulur. Tom Noddy (Marcus du Sauyot’s The code’ in ikinci bölümünü gösteren kişi) baloncukların yüzey alanının dış çizgilerinin benzerliğini ortaya koydu. Ancak bu durum renkli baloncuk üretiminde sorunlara yol açtı. Byron, Melody&Hanok Swetland toksik olmayan UV ışınları altında kızarık şekilde bulunan kabarcıkları icat ederek patentini aldı. Bu kabarcıkların normal ışık altında sıradan yüksek kaliteli net kabarcıklar gibi görünse de gerçekte UV ışığı altında kızarmış görünüyorlar. Işık uv olduğunda kızarmış görünüyorlardı ve aile bunu dünya çapında sattı ta ki şirketlerini satana kadar.
Renk eklenmiş boya kabarcık karışımları, boyalı yüzeylerde su kabarcığı verdiği için, renkli kabarcıklar üretmek başarısız olur. Bu nedenle renksiz bir kabarcık, boyalı tabanda bir noktaya düştüğünde bir form oluşturur. Kimyacı Dr. Ram Sabnis tarafından, yüzeye aktif olarak yapışan, lakton parlak renkli kabarcıklar geliştirilmiştir.Buna kristal viyole lakton bir örnektir. Tim Kohoe adlı bir başka kişi ise çevrimiçi olarak pazarlanan, basınç ve oksijene maruz kaldığında rengini kaybeden renkli, Zubbles olarak da bilinen ve toksik madde içermeyen ve boyanamayan kabarcığı icat etmiştir. 2010 yılında Japon astronot Naoko Yamazaki, mikro yerçekimi yöntemi ile renkli kabarcıklar oluşturulabileceğini göstermiştir. Bunun nedeni, su kabarcıklarının düşük yer çekimli ortamda kabarcığın etrafında yatkın olmasıydı.

Donma

Eğer sabun baloncukları -15 derece sıcaklık düzeyinden daha düşük sıcaklığa maruz bırakılırsa kabarırlar ve yüzeye temas ettikleri anda da donarlar. İçerisindeki hava yavaş yavaş dağılarak baloncuğun kendi ağırlığı altında dışa doğru çökmesine neden olmaktadır. Yaklaşık -25 derece altındaki sıcaklıklarda ise, kabarcıklar havada donarak, yere çarptıkları zaman paramparça olabilirler. ( Onları yere vurmak paramparça eder.)  Bir kabarcık sıcak hava ile şişirildiği zaman ise kabarcık mükemmel bir küre şeklini alır ancak sıcak hava soğuduğu zaman hacminde bir azalma meydana gelir ve kabarcıkta kısmi olarak çökme gözlenir. Bu düşük sıcaklıkta oluşturulan kabarcık, her zaman oldukça küçük olmakla beraber, eğer hızla dondurulur ise paramparça olur.

Sanat

Sabun köpüğü performansları artistlik amaçlar ile kombine edilebilir. Ancak yüksek derecede beceri gerektiren bir uğraştır. Bazı sanatçılar kendi performanslarında piyasadakilerden farklı olarak kendilerine özgü köpükler kullanırlar. Bazı sanatçılar nesneleri ve insanları saran dev kabarcık ve tüpler oluştururlar. Diğerleri ise küpleri tetrahedral ve diğer şekil formları oluşturan dev kabarcıklar oluştururlar. Kabarcıklar bazen çıplak elle işlenir. Görsel etkileyicilik eklemek için bazen baloncuğun içi duman ile doldurulduğu gibi buhar, helyum, lazer ışıkları da kullanılır. Sabun kabarcıkları doğal gaz gibi yanıcı bir gazla da doldurulup ardından ateşlenir.