perché le bolle di sapone sono colorate?

I colori delle bolle di sapone

il fenomeno dell'interferenza diventa evidente in luce monocromatica (o quasi)

in luce rossa le bande colorate di una bolla di sapone diventano rosse e nere, è l'interferenza

In un certo senso questa immagine è straordinaria. Da una parte perché pensiamo sia originale, non ne abbiamo viste in giro in rete, né sappiamo di altre ricerche, dall'altra perché è stata scattata alla fine di un processo didattico con gli studenti, dall'altra ancora perché è la prova sperimentale che i colori delle bolle di sapone sono dovute a un fenomeno di interferenza della luce dovuta a una doppia riflessione sullo spessore sottile della lamina saponosa.

La classe coinvolta era una classe quarta di liceo scientifico. Ma è interessante, credo, per noi docenti di fisica, il metodo utilizzato in classe.Sulle bolle di sapone, affascinanti e di banale realizzazione, si possono porre molte domande.

Perché sono sferiche?

Perché dopo un po' scoppiano?

Perché sono colorate?

Sembrano domande un po', come dire stupide. In realtà dietro c'è tutto il programma di ottica di quarta liceo scientifico e si potrebbe andare anche oltre. La luce e le spiegazioni dei fenomeni che coinvolgono la luce sono "insidiose" e "difficili". C'è chi sulla proprietà della luce ci ha costruito sopra la relatività.

L'insidia sta nel fatto che noi vediamo la luce tutti i giorni (e anche le notti, non esistono notti veramente buie) e come sempre succede l'abitudine quotidiana maschera le cose. Non ci si chiede più il perché di ciò che si vede, lo si da' per scontato. Ma che domande fai? Perché le bolle di sapone sono colorate? Tutti sanno che le bolle di sapone sono colorate. Già, ma perché? Be', perché, perché...

L'imbarazzo della risposta non è solo di studenti. Anche nei corsi di formazione per docenti (salvo che non siano dei fisici smaliziati) le ipotesi sono quasi sempre le stesse.

Una prima ipotesi che gli studenti hanno fatto è che i colori riflettono quelli della stanza. Uno potrebbe rispondere: "ehi, ma che stupidaggini dite?". Ma il metodo consiste nel fatto che ogni cosa va valutata e sperimentata. Dietro a ipotesi a volte banali ci sono molte ragioni e anche molta esperienza. Come poter dimostrare che NON sono i colori della stanza che si riflettono?

sulla superficie di una bolla di sapone appaiono bande colorate arcobaleno, che si ripetono in cerchi concentrici, su paralleli della superficie sfericauna bolla di sapone assolutamente normale

La prima osservazione è che i colori non sono distribuiti nel riflesso degli oggetti della stanza (che pure ci sono), ma sono disposti in bande color arcobaleno disposte secondo paralleli sulla superficie sferica della bolla di sapone.

La fotografia accanto è stata scattata da uno studente durante il corso. Le bande colorate sono disposte in cerchi concentrici, e la sequenza dei colori è la stessa. Vi sono riflessi delle luci nella stanza ma sono insignificanti.

D'altra parte cosa succede se faccio le bolle di sapone in un ambiente circondato di oggetti neri, in cui c'è solo la luce della lampada? L'esperimento è possibile: la stanza è buia e i colori ci sono. Deve essere un qualche effetto della luce. Ma che effetto?

Questo modo di esporre che sto usando riflette il comportamento in classe con gli studenti. Molti pensano che la fisica si possa spiegare alla lavagna, con una serie di formule. Perché perdere tempo dietro a questioni sperimentali di dubbia riuscita? E anche se fosse, c'è il programma da terminare, non si può perdere tempo: avanti, avanti fino alla vittoria finale - il programma è terminato.

Naturalmente gli studenti trovano assai noioso guardare un tipo che riempe la lavagna e che continuamente deve richiamare l'attenzione. Incominciano a fare altro. Per esempio scambiare sms di nascosto (o quasi), costruire proficuamente aerei di carta, insidiare la vicina di banco. Ma si sa, gli studenti sono incapaci di attenzione, sono degli esseri umani ormai degenerati, non come noi una volta. Non capiscono la bellezza delle formule sulla lavagna. Non le studiano e non se le ricordano. Il programma è terminato, l'insegnante ha terminato il programma (lui). Nessuno ha seguito, nessuno sa veramente qualche cosa. Pochi pappagallini ammaestrati (quelli del dieci in condotta) ripetono qualche cosettina. Gli altri si beccano un bel tre o quattro.

C'è qualche cosa che non funziona. O no?

Gli studenti coinvolti in questa esperienza, alla fine, sapevano l'ottica, sapevano la matematica della interferenza, sapevano il principio di Fermat, sapevano l'ottica geometrica e le lenti e quant'altro. Tutte queste cose le sapevano veramente. Sono stati attentissimi, inventavano modi di fare le cose, volevano provare, volevano spiegare.

Un'altra osservazione che si può fare è che le bande colorate, i paralleli arcobaleno, scendono progressivamente verso il basso. Se il mondo sta fermo perché mai le bande colorate dovrebbero scendere lentamente verso il basso?

in una lamina saponosa verticale le bande colorate si dispongono orizzontalmente  e lentamente scendono verso il bassoin una lamina saponosa disposta verticalmente le bande colorate sono fasce parallele orizzontali che scendono lentamente verso il basso

Allora si può provare un altro piccolo esperimento che vedete nella figura a lato. La lamina saponosa si forma anche in un cerchiolino. E' il cerchiolino che usano i bambini per fare le bolle (comprando la boccetta già pronta, c'è questo cerchiolino di plastica).

Osservate bene l'immagine. Le fasce sono parallele ripetono sempre la stessa sequenza di colori, Nell'immagine statica non si può evidentemente vedere ma noi abbiamo insieme agli studenti osservato che le bande non stanno ferme, scendono lentamente verso il basso fino a che la lamina si rompe.

Che spiegazione dare di questo fenomeno? Perché scendono verso il basso? L'unica spiegazione che gli studenti danno è che c'entra in qualche modo la forza di gravità. La forza di gravità è quella cosa che fa scendere in basso le cose (sic!), e quindi...

La controprova sarebbe andare in una navicella spaziale e vedere che succede in assenza di gravità. Non molto realizzabile. A proposito che succederebbe alle bolle di sapone? Si formano? Durano di più o di meno? E i colori ci sono o non ci sono?

Una osservazione interessante che una volta ha fatto uno studente  è che inizialmente i colori nelle bolle NON ci sono. Ed è vero, inizialmente non ci sono.

Una ipotesi è che la gravità faccia scendere i colori, interagisca con i colori. Bocciata subito, la luce, un raggio di luce nella stanza NON sembra influenzato dalla gravità (lasciamo perdere la curvatura dello spazio dovuto a grandi masse, le lenti cosmiche e i buchi neri, siamo in un umile laboratorio di una scuola qualunque).

Allora si affaccia ai più l'idea (corretta) che lo spessore della lamina non può essere costante dappertutto: in alto è più sottile e in basso è più spesso. Non solo, ma lo spessore è variabile nel tempo in una certa posizione diminuisce con l'andare del tempo. Non solo, poiché la direzione della gravità è la verticale, lo spessore e la sua diminuzione nel tempo su una retta parallela al suolo è grosso modo uguale.

La gravità può agire sulla massa dell'acqua saponata. Lo spessore diminuisce progressivamente e la banda colorata scende.

A questo punto è ovvio, c'entra lo spessore della lamina. In qualche modo la luce interagisce con lo spessore della lamina. Anzi quando la lamina è spessa NON si formano le bande colorate.

Questo spiega anche perchè un soffio leggerissimo fa correre e variare disordinatamente i colori sulla bolla, il soffio produce sulla superficie una variazione imprevedibile e erratica di spessore.

Salto adesso a piè pari un po' di spiegazioni teoriche fatte su modelli anche con un po' di matematica e di formule di prostaferesi (trigonometria! orrore!). La spiegazione completa la trovate in altra parte di questo sito, cercate bolle di sapone al Michelangelo. La forma non è elegante erano pagine web che facevamo  mentre si sviluppava il corso, le abbiamo semplicemente linkate qui.

Ma è importante questo passaggio. Se i colori sono l'effetto dell'interferenza dei due raggi di luce riflessi dalle due facce della lamina (è cos'!), allora cosa succederebbe se io illumino con una luce monocromatica? Per esempio rossa? (la luce usata era rossa perché... era quella che avevamo a disposizione...).

in luce rossa la bolla di sapone presenta bande rosse e nerein luce monocromatica rossa le bande colorate sono solo rosse e nere

Quello che succede è che appaiono di nuovo le bande colorate, ma non c'è l'arcobaleno (la luce è monocromatica): appaiono bande rosse alternate con bande nere.

E' proprio un problema di interferenza. La luce bianca è composta da molti colori.  La rifrazione che avviene dentro lo spessore, dipende dal colore, e la riflessione sulle due superfici di separazione con l'aria producono lunghezze di percorsi differenti a seconda del colore e quindi interferenze diverse a seconda del colore (non preoccupatevi, se non siete un pochettino addentro alla fisica, se non avete capito bene questi passaggi, andate a vedere se volete gli approfondimenti nelle pagine sulle bolle di sapone al Michelangelo (che è un liceo scientifico di Cagliari)

Si possono fare molte considerazioni. Il laboratorio praticato così implica anche l'uso della teoria, la formulazione di modelli, tentativi di spiegazione usando un apparato simbolico-formale che è la matematica. In una classe reale ogni volta si presenteranno sequenze di domande e di verifiche sperimentali diverse, non c'è un solo modo standard per "presentare" ( o "esporre"), ci sono invece molti modi per costruire una conoscenza che,alla fine, è la stessa. Ma è una conoscenza solida, che si è costruita insieme.

L'approfondimento si ferma al livello che si vuole, non c'è limite. E gli studenti che hanno realizzato queste belle immagini se le ricorderanno a vita, con le relative spiegazioni. E in più avranno appreso un metodo, un metodo di ricerca sulla realtà, che, crediamo, non è solo pertinente alla fisica.

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