Alasan di Balik Bentuk Bulat Gelembung Sabun Menurut Sains

tirto.id - Gelembung sabun selalu berbentuk bulat atau nyaris bulat ketika dilepaskan ke udara. Ini merupakan fenomena yang biasa terjadi dalam keseharian. Akan tetapi juga menarik untuk dikulik dari sisi sains di baliknya.

Pada dasarnya, gelembung adalah kantung udara yang mengisi lapisan sabun dan air yang sangat tipis. Ketika berada di udara, gelembung bakal mudah pecah karena mengering atau kebetulan bersentuhan dengan benda lain.

Ketika bermain air sabun atau meniup balon sabun menggunakan sedotan plastik, misalnya, gelembung sabun yang dihasilkan hampir selalu berbentuk bulat. Jika mencoba menggunakan alat lain yang tidak berbentuk bulat, pada akhirnya gelembung yang dihasilkan juga bakal berbentuk bola atau bulat.

Larutan sabun membentuk lapisan tipis yang lebih fleksibel ketimbang air, kemudian meregang membentuk bola. Lantas mengapa bentuk gelembung sabun berbentuk bulat atau menyerupai bola?

Mengapa Gelembung Sabun Berbentuk Bola?

Gelembung terbentuk dari lapisan tipis air sabun yang mengelilingi sejumlah volume udara. Mengutip Ashish di laman Science ABC, lapisan tipis air sabun terbuat dari molekul-molekul yang saling menarik.

Udara yang dikelilingi lapisan ini menyusut. Karena berupa gas, udara tersebut memberikan gaya yang sama pada semua titik permukaan yang bersentuhan dengannya.

Gelembung yang bebas dan tidak menempel pada apa pun selalu berbentuk bulat, karena terdapat gaya dorong gelembung dari dalam dan luar dengan arah yang sama.

Seturut penjelasan Madhavi Deshpande di laman Science ABC, hal ini menyebabkan permukaan gelembung menjadi benar-benar halus dan seragam, tanpa sudut dan tepi. Gelembung membentuk bola, karena bola adalah bentuk yang paling kuat dan efisien di alam.

Selain itu, bola memiliki luas permukaan terkecil untuk volume udara. Artinya, hanya sedikit lapisan busa yang harus dipertahankan gelembung. Faktor ini pula yang menjadi konfigurasi paling hemat energi.

Tegangan Permukaan dan Gaya Molekul Membentuk Gelembung Sabun

Molekul udara yang terperangkap di dalam gelembung mendapat gaya dari luar gelembung. Sebaliknya, molekul udara di luar gelembung juga memberikan gaya yang sama besar dan berlawanan arah.

Oleh karenanya, udara di dalam gelembung berusaha berkumpul membentuk bidang yang meminimalkan kontak dengan udara di luar. Gaya tarik-menarik antara molekul sejenis disebut gaya kohesi.

Bentuk yang dihasilkan selalu bulat. Gaya yang menarik gelembung udara bersama-sama, lalu menjaganya tetap berbentuk bulat disebut tegangan permukaan.

Gaya tegangan permukaan ke dalam, mengacu dari laman LibreTexts Physics, menyebabkan gelembung menjadi hampir selalu berbentuk bola dan meningkatkan tekanan gas yang terperangkap di dalamnya.

Tegangan permukaan, sebagaimana dijelaskan Chemeurope, dimiliki lapisan permukaan cairan yang membentuk gelembung. Ini menyebabkan lapisan tersebut berperilaku seperti lembaran elastis.

Zat surfaktan terlarut seperti sabun berperan menstabilkan gelembung. Sabun menurunkan tegangan permukaan sekira sepertiga dari tegangan permukaan air murni.

Sabun tidak memperkuat gelembung, tapi justru menstabilkannya. Aksi ini merupakan efek Marangoni yang terjadi ketika terdapat gradien tegangan permukaan pada antarmuka antara 2 fase, yang dalam kebanyakan situasi, antarmuka cair-gas.

Mengacu laman Comsol, tegangan permukaan biasanya berubah karena variasi konsentrasi zat terlarut, konsentrasi surfaktan, serta variasi suhu di sepanjang antarmuka.

Ketika lapisan sabun meregang, konsentrasi sabun di permukaan berkurang. Inilah yang menyebabkan tegangan permukaan meningkat.

Dengan demikian sabun secara selektif memperkuat bagian terlemah dari gelembung. Tegangan permukaan menyebabkan gelembung membentuk bola, karena bola memiliki luas permukaan terkecil dari bentuk geometri.

Bentuk Bola Paling Efisien dengan Prinsip Energi Minimum

Pembentukan bola pada gelembung sabun bukan tanpa alasan. Di baliknya terdapat penjelasan geometri yang memungkinkan bentuk gelembung sabun menyerupai bola, bukan kubus atau bentuk geometri lainnya.

Lapisan sabun berusaha meminimalkan luas permukaan, yakni dengan meminimalkan energi permukaan. Bentuk bola pada gelembung sabun menjadi konfigurasi yang paling hemat energi.

Sebagaimana dijelaskan melalui laman Science ABC, untuk setiap kantung udara tetap, bentuk dengan luas permukaan terkecil adalah bola. Bentuk lain seperti kubus dengan menampung jumlah udara yang sama, bakal membutuhkan lebih banyak lapisan untuk membungkusnya.

Hal yang sama terjadi pada bentuk-bentuk lain selain bola. Pasalnya, lebih banyak lapisan yang dibutuhkan berarti bakal lebih banyak lapisan yang diregangkan. Artinya, lebih banyak energi yang tersimpan.

Lapisan tersebut terus mengendur hingga setiap bagiannya melengkung dengan jumlah yang sama persis, tanpa menyisakan sudut atau permukaan datar.

Kemudian terbentuklah lengkungan yang sempurna dan merata, yang menyerupai bola. Bentuk lain, seperti gelembung persegi, mesti melawan tegangan permukaan pada setiap tepi yang tajam.

Ini turut dijelaskan dalam laman World of Physics, bahwa gelembung mengadopsi bentuk yang meminimalkan luas permukaan untuk volume yang tertutup. Meminimalkan luas artinya meminimalkan energi permukaan.

Di samping itu, dikenal pula teorema isoperimetrik yang mengungkapkan bahwa dari semua permukaan tertutup yang melingkupi suatu volume tertentu, bola memiliki luas yang minimum.

Lapisan sabun yang diregangkan di atas kerangka kawat (alat membuat gelembung) secara alami menemukan permukaan minimal, yakni permukaan dengan kelengkungan rata-rata nol pada setiap titik.

Hal tersebut terjadi karena lapisan sabun yang ditarik oleh tegangan permukaan dari semua sisi, akan membentuk konfigurasi yang meminimalkan luas totalnya sehingga membentuk bola.

Itulah yang menjadi alasan mengapa gelembung sabun berbentuk bola. Ini sekaligus merupakan kaitan antara tegangan permukaan, gaya kohesi antarmolekul, serta prinsip energi minimum.