La cita
Dos millones de dólares por resolver un puzzle
Matemagia
El poder desconocido de un modelo matemático
El problema
El acertijillo
Visualización
Pompas
VII Semana de la Ciencia Madrid 2007
Segunda edición de los Premios para Estudiantes de Secundaria

Pompas

- Así que he echado jabón en el agua, he metido el alambre redondo en la disolución y al sacarlo y soplar han salido burbujas ¡esféricas!
- Eso no tiene nada de sorprendente, todos lo hemos hecho cuando éramos pequeños.
- Ya, pero lo sorprendente es que si meto un alambre cuadrado en la disolución, al sacarlo y soplar ¡también salen burbujas esféricas! ¡Míralas! ¿Y por qué?

- ¿De verdad quieres saberlo? La explicación es que de todas las burbujas de un volumen dado, la esférica es la que tiene
menor superficie. O lo que es lo mismo, de todas las burbujas de una superficie dada, la de mayor volumen es la esférica.
- ¿Quieres decir que la Naturaleza también ahorra?
- ¡Eso es! Mira, te voy a enseñar unas cosas que tengo por aquí. Lo primero que voy a hacer es añadir glicerina a la disolución. Al igual que el jabón disminuía la tensión superficial del agua, evitando que se rompieran las pompas, la glicerina evita la evaporación del agua, así que las pompas van a durar más tiempo y las veremos mejor. Lo segundo ¿sabes la diferencia entre una burbuja y una pompa?
- Claro, pero recuérdasela a los lectores...
- Una burbuja encierra aire en su interior, como las que estabas haciendo antes, mientras que una pompa no encierra aire. Ahora vamos a obtener pompas sumergiendo en la disolución alambres que actuarán como borde. Primero metemos un alambre con forma de circunferencia y obtenemos una pompa plana: un círculo.
- Sí pero si la muevo o soplo pueden salir otras pompas con el mismo borde, como esta.

- Llevas razón, pero cuando dejas de hacerlo la pompa vuelve a ser un círculo. Eso es porque de todas las pompas que tienen ese borde, la plana es la que tiene un área menor.
- Ah, igual que ocurría con mis burbujas, que eran esféricas porque dado un volumen eran las que tenían área menor.
- Claro, las películas de jabón tienen una fuerza de cohesión interna que hace que sus moléculas se acerquen lo más posible las unas a las otras para disminuir el área.
- Luego ¡LAS POMPAS TIENEN LA MENOR ÁREA POSIBLE!
- Así es, y por eso a las superficies que se obtienen se les llama superficies minimales. Mira por ejemplo el catenoide que podemos formar con dos alambres redondos:

AVISO: LA SIGUIENTE PREGUNTA PUEDE SER PREVISIBLE.
- ¿Catequé?
- ¿Te suenan las catenarias?
- Ah, eso son los cables de la vía del tren.
- Efectivamente, la catenaria es la forma que adquiere un cable suspendido sujeto por sus dos extremos. Y si te fijas...
- Sí, las secciones meridionales o cortes con planos perpendiculares a los aros que pasen por su centro son catenarias.
- A veces dudo si tienes doble personalidad... Bueno, mira que esto te va a gustar. De manera similar a lo que ocurría con la
esfera, de todas las figuras planas cuyo perímetro mide una cantidad fijada, el círculo es la de área mayor. He atado un hilo a la circunferencia y he hecho una pompa con el hilo dentro...

...y si ahora pincho el interior del hilo con un bolígrafo, ¡mira lo que queda!

- ¡El agujero se hace circular!
- Claro, como la pompa tiende a ocupar lo mínimo posible, el agujero tiende a ocupar lo máximo posible y eso quiere decir que el agujero se hace circular.
- ¿Y si atamos los dos extremos de un hilo al borde?

- Entonces el hilo se convierte en un arco de circunferencia y ¡hasta lo puedes mover!

- ¿Y hay algo más que podamos hacer con estos alambres?
- Mira, pues sí. ¿Qué crees que ocurre cuando se cortan dos pompas?
- ¿Qué quieres decir con eso?
- Ponemos los dos aros cruzados y los metemos a la disolución. Al sacarlos ¿Qué pompas se formarán?
- Pues supongo que los dos círculos, ¿no?
- Mételos y compruébalo.

- ¡Anda! ¡Se forma otra pompa!
- Eso es, se crea lo que llamamos una ojiva, dado que siempre que varias pompas se cortan lo hacen de tres en tres y formando ángulos de 120º, que es la configuración más simétrica.
- ¿Y hay más reglas de esas?
- Sí, y muchas de ellas se pueden comprobar sumergiendo alambres con otras formas, pero paremos un momento ¿un café?

- ¿Te acuerdas de que una vez en el foro de la hoja volante alguien propuso un problema en el que había que hacer la red de caminos más corta que conectara 4 puntos situados en los vértices de un cuadrado?
- Ah, sí, como si fueran 4 ciudades dispuestas en forma de cuadrado y hubiera que unirlas por carretera del modo más económico posible.
- Pues hay una forma de llegar a la solución.
- ¿Cómo?
- ¡Por pompas!
- ¿Por pompas?
- Sí, mira, vamos a dejar de sumergir alambres por hoy y vamos a sumergir unas planchas de metacrilato que me he construido.
- ¿Y eso qué es?
- Mira, por ejemplo aquí tengo dos planchas de metacrilato paralelas unidas por tres puntos que forman un triángulo equilátero.
- Ah, como si las ciudades estuvieran en esos puntos.
- Exactamente. Cuando las sumerja se van a formar pompas que unirán los puntos y serán perpendiculares a las dos planchas de metacrilato.
- ¿Y cómo sabemos que esas pompas nos van a dar los caminos mínimos?
- Ahí está la gracia, como sabemos que las pompas tienen la menor área posible y la altura va a ser igual en todos los lados, si miramos la proyección de esas pompas tendremos los caminos mínimos.
- Ah, ya veo... ¡Déjame sumergirlas!

- Y, como ves, salen las líneas que unen los vértices con el centro y se respeta la regla de los 120º.
- Y para un cuadrado saldrán las diagonales, que son las líneas que unen los vértices con el centro...
- ¿Pero no te estoy diciendo que se tiene que respetar la regla de los 120º?
- Ah sí entonces saldrá... ¡esto!

- Sumergiéndolo cualquiera... pero así es, eso es lo que queda.
- ¡Espectacular!
- A que sí, pero para espectacular lo que vamos a hacer ahora. ¿Alguna vez has visto el estadio olímpico de Múnich?
- Ah, sí, que tiene una especie de toldos como si fueran carpas de circo.
- Fue diseñado por el arquitecto alemán Frey Otto. Los techos están diseñados para que pesen poco y se reduzca la cantidad de material necesario para construirlos. ¿Y sabes cómo se hizo el diseño?

- ¿A pompas?
- ¡A pompas! sí señor. Las películas de jabón dan las formas óptimas para un borde fijado, pues con ellas obtenemos el área mínima. Así que si ponemos unos mástiles y unos hilos sin tensar entre ellos y sumergimos, los hilos se tensarán y se formará esta cosa tan chula.
- Es un buen momento para parar...