Kupla.

Saippuakuplat ovat tunnettu vanitas -taiteessa käytetty symboli. Siinä on nähty kasvaminen, kehittyminen ja tuhoutuminen. Se on olemassaollessaan hauras ja kaunis. Tätä kautta haluttiin taidetta seuraavalle muistuttaa, kuinka elämä on lyhyt.

Omakohtaisesti niihin saippuakupliin liittyy hieman nolojakin tapauksia, esimerkiksi saippuakuplaveden juomista lapsena Keravalla. Toisaalta ensimmäisiä muistamiani "hypoteeseja" perustui siihen. Ajattelin että kuplat ovat aina pyöreitä, ja niitä puhallettiin aina pyöreillä puhaltimilla, joten ajattelin että se puhaltimen muoto jotenkin välittyi siihen kuplaan. Siksipä ajattelin, kuten analogiaa ja induktiota soveltaen rationalisti voisi tehdä, että vaihtamalla puhaltimen muotoa saisin erimuotoisia kuplia. Pieleen meni, tietenkin. Tämä muistuttakoon kaikkia siitä, miten empiirisellä kokeella on aina sellainen luonne, että se voi tuhota ajatusrakennelman. Ja jos ei pidä vastauksesta, pitää hyväksyä että on kysynyt vääriä kysymyksiä. (Ajaako lapsuuden epäonnistumiset ja traumat kohti kriittistä ja analyyttistä filosofiaa? Auttaisinko ihania kukkia ylittämään tietä jos lapsena olisin tehnyt jotain muuta?)

Ajattelin että vaikka kupla onkin sellaisenaan kaunis, niitä voidaan lähestyä myös fysiikan kautta. Ja lisäksi tämän viikon lukulistalla on ollut Pierre-Gilles de Gennesin ja Jacques Badozin "Hauraat esineet", jossa oli melko pitkälti kuplista ja vaahdosta. Kirjaa lukevat voivat tietenkin helposti huomata, että en ole jäänyt pelkästään sen varaan. Sen esittämiä yksityiskohtia on ripoteltu eri kohtiin. (Kaikkia mainitsemiani ilmiöitä ei valitettavasti edes mainita em. kirjassa. Joskin ne jotka on mainittu, ovat kirjassa luultavasti paremmin esitetty.)

Tästä aiheesta on tietysti tutkimuksia. Tämä muistuttakoot myös siitä, että arkipäiväisetkin asiat voivat olla kiinnostavia ja ne voivat sisältää tosi ihmeellisiä asioita.

Kuplan muoto

Kuplan muoto ei johdu puhaltimesta, vaan fysiikasta. Tässä avainkysymys on oikeastaan se, miksi vedestä ei voi tehdä kuplia. Syynä on se, että vesimolekyylillä on suuri pintaenergia. Se ei pidä suurista kalvoista. Se, että lammikon vedellä on suuri pintajännitys, jolla esimerkiksi vesimittarit voivat liikuskella, johtuu siitä että vettä on paljon. Ohut kalvo vettä "menee kasaan". Tätä voi yrittää vaikkapa kylpyhuoneessa. Kun pistää lattialle pienen lammikon, ja yrittää levittää sitä ympäriinsä, se vetäytyy. Pintaan muodostuu reikiä ja lammikoiden muoto menee kasaan.

Tästä päästään siihen, että saippua ei itse asiassa tee kalvolle vahvaa pintajännitystä. Tämä on selvää jo sillä, että jos on ilkeä ja kaatelee saippuaa veteen, sen pintajännitys ei kasva vaan pienenee. Se, mitä saippua sen sijaan tekee, on tasaaminen. Saippua ei vahvista kuplan jännitystä tai tee siitä kovempaa. Vaan se tekee juuri päin vastoin. Se tekee siitä "virheitä kestävän". (Siksi saippuakuplat venyvät tuulessa ja puhaltamisen alla melko helposti.)

Tasaaminen tapahtuu Marangoni effectin kautta. Tämä on outo ilmiö, johon liittyy mm. viinin kyynelehtiminen. Eli vaikka viini on nestettä, sen ominaisuudet ovat sellaiset että pinnan yläpuolelle muodostuu rengas, josta viiniin putoaa pisaroita. Kuplissa se vaan tasaa, eikä itketä. Saippuassa on molekyylejä, joiden toinen (hydrofobinen) pää "karkaa vedeltä", kun taas toinen (hydrofilinen) pää "kulkee vettä kohti". Tämän ominaisuuden vuoksi molekyylit kulkeutuvat pinnalle siten että vettä "kaihtava" pää saa olla kuivassa ja vedestä "pitävä" pää saa olla märässä.

Kun saippuakalvo venyy jostain kohden, saippuan pitoisuus pienenee venyvältä alueelta, jonka seurauksena pintajännitys siltä alalta kasvaa. Tämä ilmiö on tuettu mm. I. Langmurin tutkimuksissa. Jos kalvoa venytetään, syntyy harventuma, jossa saippuakalvossa "alaosa" "työntää" kohti venytettyä yläosaa. Tämä vaikutus vastustaa venytetyn osan painoa, jolloin kalvo kestää paremmin. Tätä kautta kupla kestää saippuan ansiosta. Siksi kuplavaahdon sisällöllä on paljon merkitystä. (Kuten jo lapsena opin.) Sirkuslaisten isoihin parimetrisiin kupliin tarvitaan "oikeat aineet", sellaiset joilla voidaan jännittää metrien kokoinen kalvo.

Saippua nesteessä toimii myös selektiivisesti: Se vahvistaa heikoimpia kohtia ja saa ne kestämään. Saippua tietysti myös vähentää hieman haihtumista, mutta tämän vaikutus ei ole yhtä suuri. Selektiivisyys johtuu rajapintojen termodynamiikasta. Jos saippuakalvoon tulee reikä, sen ympäriltä sitä peittämään työntyy pinta -aktiivisia aineita. Muu neste tietenkin virtaa satunnaisiin suuntiin ja aikanaan ne päätyvät myös tämän rei'än alueelle.

Kuplassa muoto johtuu kuitenkin jännityksestä. (Se, että se on pieni ei tarkoita että sitä ei ole.) Saippuakalvo "pyrkii" olemaan melko pieni. Hieman kuten jos on kumikalvo, jota jännittää, se pyrkii olemaan pieni. Kuitenkin jos siitä tehdään kalvo, joka estää ilman karkaamista, se muotoutuu "mahdollisimman pieneksi". Saippuakupla on hieman kuten tämä kumikalvo - lukuun ottamatta sitä että kumikalvon koko on melko suuri ja paksuus melko vakio. Tästä on seurauksena se, että kupla muodostaa minimipintoja. Toisin sanoen, se muodostaa kalvoja pintojen välille siten että kalvolla on mahdollisimman pieni pinta -ala. Kun se on "yksin liikenteessä" se on pallo sen vuoksi että tällä muodolla on suurin tilavuus suhteessa pinta -alaan. Saippuakuplien minimipintoihin liittyvän muodon kanssa tärkeää tutkimusta on tehnyt mm. J. A. F. Plateau. (Jos siis haluaisin neliömäisiä kuplia, puhaltimen tuunaaminen ei ratkaisisi ongelmaa, vaan pitäisi muuttaa luonnonlakeja. Minusta kehikossa oleva kalvo kun ei enää ole "ihan rehellinen" ratkaisu. Tavoittelin siis jo lapsena mahdottomia.)

Tämä tietysti vaikuttaa myös silloin kun puhutaan useista kuplista. Niissäkin toinen kupla nähdään "esteenä", jonka kanssa pitää muodostaa minimipinta. Kun molemmat tekevät samaa, syntyy kompromissi. Tässä syntyy yhteinen seinämä. Kuplat sulautuvat. Tässä kuplan koko ratkaisee. (Joskus koko ratkaisee paljon, eikä kyseessä ole vain siitä miten taitavasti kuplia puhaltelee.) Kuplan yhteinen seinämä pullistuu suuremman kuplan suuntaan, tätä kutsutaan nimellä Ostwald ripening. Syy on se, että pienemmällä kuplalla on suurempi sisäinen paine. Yhtä suuret kuplat synnyttävät suoran tasaisen seinämän.

Kuplan väri

Saippuakupliin liittyy tietenkin kalvot. Värin kannalta tämä on erityisen merkittävää. Saippuakupliin liittyy väritutkimusta jo Babylonialaisten aikaan. Aihe oli ennustaminen. Tätä tarkoitusta varten he tekivät vesikulhon, jonka pinnalle he laittoivat pienen öljykerroksen. Tästä syntyy tietysti värejä. Halvalla saatiin kiva värien show, joka ei ollut sellainen että kaataja voisi sen yksityiskohtiin vaikuttaa. Siispä ajateltiin että korkeammilla voimilla voisi hyvinkin olla pääsy tähän ilmiöön. Tästä ennustamista kutsutaan lekanomansiaksi. Ja se voittaa miellyttävyydessään ja hinnassaan huumeiden avulla tai eläinten suolista tehdyt ennustamiset. Tärkeä menetelmä tässä olivat tummat täplät, joita kalvoon syntyi. Niiden kulkua sitten tulkittiin. Esimekriksi jos kaksi tummaa täplää kohtasi, se voisi kertoa vaikka avioliitosta.

Toki ennustaminen ei ole tässä muodossa tiedettä vaan taikauskoa, mutta tämä on kuitenkin vanhin tiedetty havainto näistä tummista täplistä.

Tämä taas on tärkeää, koska Isaac Newton tutki värin vaikutusta kuplissa. Hän havaitsi että kalvon väri johtuu sen paksuudesta. Kalvon paksuus on vain muutamia mikrometrejä, ja se heijastaa ja taittaa valoa.

Kalvon paksuus on alhaalta hieman suurempi kuin ylhäältä, joten se taittaa valoa hieman eri tavalla. Syynä on se, että valoaallot, jotka heijastuvat sekä etuseinästä että takaseinästä törmäävät toisiinsa, jolloin niistä syntyy interferenssi. Sen seurauksena osa valon aallonpituuksista vahvistuu ja toiset heikkenevät. Tässä olennaista on kalvon paksuus : Jos kuplaa katsotaan valkoisessa valossa, alle mikrometrin paksuinen kalvo ei heijasta lainkaan valoa, jolloin kalvo on musta. (Kalvo on ohuempi kuin yksikään väri jota ihmisen silmä näkee.) Nämä ovat niitä tummia pilkkuja, joita Babylonialaiset ennustajat tulkitsivat. Jos kalvo on 4 mikrometriä paksu, valon käytös tuhoaa "keltaisen värin", eli tietyn aallonpituuden valon, ja kalvo näyttää purppuran väriseltä. Paksummat seinät taas tuhoavat punaiset värit, jolloin siitä näkyvät värit sinisestä vihreään. Tämän vuoksi pienikin ero kalvon paksuudessa vaikuttaa väriin.

Tätä voi tutkia samassakin kuplassa. Syynä on se, että kupla muuttuu koko olemassaolonsa ajan. Siihen vaikuttaa kaksi voimaa: Painuminen (gravitaatio) ja haihtuminen (lämpö). Koska painovoima vetää kaikkea, siis myös kuplan vettä, puoleensa, kupla yleensä paksunee alhaalta ja ohenee ylhäältä. Tätä voi seurata vaikka tummien pisteiden liikkumista tuijottelemalla. Toinen ilmiö on tietysti se, että kalvosta haihtuu koko ajan vettä, jonka vuoksi kupla muuttuu koko ajan ohuemmaksi. Tätä kautta väristössä näkyy yleensä liikettä, jossa tietyt värit "painuvat kohti pohjaa" ja toiset, kuten reiät, jotka kulkevat ylös. Ja toisaalta väriskaala muuttuu. Keltaiset värit yleistyvät ja siniset vähenevät.

Kuplan värissä on myös ilmiö nimeltä iridescence. Se tarkoittaa sitä, että kuplan väri vaihtuu kun sitä katsotaan eri kulmista. Osa valosta heijastuu vain kerran, osa taas heijastuu sisällä lukuisia kertoja ennen kuin päätyy lopulta ulos. Se, miten valo käyttäytyy johtuu tietysti kulmasta, josta se tulee sisään. Näin kuplan värimaailma muuttuu hieman jos sitä katsotaan eri kulmista.

Lisäksi kalvoihin liittyy turbulenssia, pyörteilyä. Koska kupla rajoittuu omaan itseensä, eli sillä ei ole joen tai lammikon tapaan rantaa, sen pyörteet vaikuttavat myös toisiinsa. Siksi jos kalvolla esiintyy jokin hitaasti liikkuva häiriö, sen perään syntyy säännöllisen von Karmannin polun. Nopeammilla häiriöillä kalvoon syntyy mutkikkaita vaikutuksia, kun aallot ja pyörteet kohtaavat toisensa. Syntyy kaaoottisia muotoja.