Pena nastaje kada se u tečnosti formira veliki broj mehurića gasa, a njihovi tanki zidovi uspeju dovoljno dugo da ostanu razdvojeni. Kada se voda snažno meša sa vazduhom, vazduh se usitnjava u mnogo malih mehurića koji dospevaju u tečnost. Samo prisustvo mehurića ipak nije dovoljno da pena bude stabilna, jer bi se bez odgovarajućih uslova brzo spojili, podigli na površinu i nestali.
Ključ je u površinskim osobinama tečnosti. Čista voda može kratkotrajno da zapeni kada se mućka, prska ili snažno meša, ali se takva pena obično brzo raspada. Ako u vodi postoje materije koje se zadržavaju na granici između vode i vazduha, zidovi mehurića postaju stabilniji i mogu da formiraju vidljiv sloj pene.
Mešanjem se vazduh pretvara u sitne mehuriće
Kada voda miruje, vazduh i voda uglavnom čine dve odvojene faze. Intenzivno mešanje, udaranje mlaza, talasanje ili prskanje unose energiju u tečnost i stvaraju uslove da se vazduh razbije na manje delove. Tako nastaju mehurići različitih veličina koji su privremeno zarobljeni u vodi.
Što je mešanje snažnije, može nastati veći broj mehurića, ali njihova veličina zavisi i od načina na koji se vazduh unosi. Turbulentno strujanje, pritisak i oblik površine preko koje voda prolazi utiču na to koliko će se vazduh usitniti. Zato isti volumen vode može proizvesti veoma različitu količinu pene u različitim uslovima.
Mehurići zatim počinju da se kreću kroz vodu. Veći se brže podižu prema površini, dok sitniji mogu neko vreme ostati raspoređeni u tečnosti. Kada se dovoljno približe, njihovi zidovi mogu da se spoje, pa se mehurići ujedinjuju i proces vodi ka nestanku prvobitne pene.
U trenutku kada mehurići stignu do površine, počinju da grade sloj u kojem se vazduh nalazi između tankih opni vode. Upravo ta velika količina sitnih mehurića daje peni njen karakterističan izgled. Bez stalnog stvaranja novih mehurića, takva struktura ne bi mogla dugo da opstane.
Površinski napon određuje koliko su mehurići postojani
Na površini mehurića postoji granica između vode i vazduha. Molekuli vode međusobno deluju i stvaraju površinski napon, zbog čega tečnost teži da smanji svoju slobodnu površinu. Mehurić zato nije samo običan džep vazduha, već struktura čiji oblik i stabilnost zavise od fizičkih osobina tečnosti.
Kada se dva mehurića dodirnu, zid između njih može da se stanji i pukne. Ako je taj proces brz, pena nestaje gotovo odmah. Stabilniji mehurići zahtevaju dodatne faktore koji usporavaju spajanje i pucanje tankih tečnih zidova.
Zašto čista voda pravi malo i kratkotrajne pene
Čista voda može da zapeni kada se snažno promeša, ali takva pena obično nije dugotrajna. Njeni mehurići nemaju dovoljno materijala koji bi se organizovao na njihovoj površini i usporio spajanje. Zbog toga gravitacija, kretanje tečnosti i stanjivanje zidova brzo dovode do njihovog raspadanja.
To se može uočiti kada se voda sipa sa visine ili snažno promućka. U trenutku nastane mnoštvo mehurića, ali se njihov broj ubrzo smanjuje. Vazduh izlazi iz tečnosti, mehurići se spajaju, a površina ponovo postaje gotovo mirna.
Zbog toga pena sama po sebi nije dokaz da je u vodi prisutna neka određena supstanca. Fizičko mešanje može biti dovoljno da se pojavi kratkotrajna pena, dok njena trajnost zavisi od sastava vode i uslova u kojima je nastala.
Na trajanje utiče i to koliko brzo mehurići dospevaju jedan do drugog. Ako se voda i dalje snažno pokreće, novi mehurići neprestano nadoknađuju one koji nestaju, pa oko posude može izgledati kao da se pena stalno obnavlja.
Materije na površini mogu da stabilizuju penu
Neke rastvorene ili suspendovane materije mogu da se nakupe na granici između vode i vazduha. Takve supstance menjaju ponašanje tankog zida mehurića i mogu usporiti njegovo stanjivanje. Među njima se nalaze različite površinski aktivne materije, ali i određene prirodne organske supstance.
Kada se takav materijal rasporedi oko mehurića, zid postaje otporniji na brzo spajanje. Zato voda koja sadrži sapun, deterdžent ili druge površinski aktivne materije može da proizvede mnogo stabilniju penu nego čista voda. Sličan princip postoji i kod mnogih prehrambenih i prirodnih sistema u kojima proteini ili druge molekulske strukture mogu da učestvuju u stabilizaciji mehurića.
Važno je razlikovati nastanak mehurića od njihove stabilizacije. Vazduh može da uđe u vodu i bez takvih materija, ali one mogu znatno produžiti vreme tokom kojeg mehurići ostaju vidljivi. Zbog toga količina pene zavisi i od toga šta se nalazi u vodi, a ne samo od jačine mešanja.
Pena je ravnoteža između stvaranja i raspadanja
Vidljiva pena postoji sve dok se novi mehurići stvaraju dovoljno brzo ili dovoljno dugo opstaju da nadoknade one koji nestaju. Kada mešanje prestane, više nema istog intenziteta unosa vazduha, pa počinje preovlađivati raspad mehurića. Tečnost iz njihovih zidova otiče, mehurići se spajaju, a vazduh izlazi prema površini.
Zato pena može naglo da se poveća tokom prskanja ili mućkanja, a zatim da se smanji za nekoliko sekundi ili minuta. Kod stabilnijih sistema proces traje znatno duže jer sastav tečnosti usporava stanjivanje i pucanje zidova. Temperatura, prisustvo rastvorenih materija i način mešanja mogu dodatno promeniti taj odnos.
