[Mecánica de fluidos I] Tensión superficial | El Tamiz

{ 2013 07 05 }

[Mecánica de fluidos I] Tensión superficial

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En los dos últimos capítulos del bloque [Mecánica de fluidos I] hemos visto lo que le sucede a un cuerpo sumergido en un fluido dependiendo de la relación entre la densidad de uno y la de otro. Se trataba de algo conocido desde antiguo, y estudiado en bastante profundidad por el genial Arquímedes de Siracusa. Como vimos entonces, si un cuerpo es meno denso que el fluido que lo rodea flota, y si sucede al contrario, se hunde. Creo que tras dos artículos enteros dedicados a ello, esto ha quedado suficientemente claro.

Lamentablemente, hay un pequeño problema: no es verdad.

Antes de que pongas el grito en el cielo, recuerda algo fundamental: en ciencia, nada es verdad. A lo más que podemos aspirar es a la mejor mentira posible, es decir, la que aún no sabemos que lo es. El principio de Arquímedes se cumple muy bien en multitud de circunstancias, y entenderlo en esas condiciones es básico para comprender el siguiente paso –el que daremos hoy–. El problema es que ese principio, y los razonamientos que empleamos para llegar a su justificación, no pueden explicar algo como esto:

Clip de acero flotando en el agua (Alvesgaspar / Creative Commons Attribution-Sharealike License 3.0).

Como siempre que un razonamiento lógico no funciona en ciencia, si el propio razonamiento no es defectuoso es que había algo que no estábamos teniendo en cuenta. El propio Arquímedes de Siracusa no lo tuvo en cuenta, pero es que requiere un conocimiento de la materia a nivel microscópico que el siciliano no tenía. Afortunadamente, estimado y paciente lector, tú sabes mucho más sobre la estructura de la materia que Arquímedes, y el factor que no hemos tenido en cuenta hasta ahora es algo que hemos mencionado en la primera parte del bloque: lainteracción molecular.

Brazos entrelazados

En uno de los primeros capítulos del bloque hablamos sobre las diferencias entre los tres tipos de fluidos, líquidos, gases y plasmas, y en particular entre los primeros y los otros dos. Como espero que recuerdes, esa diferencia fundamental era el hecho de que los gases y plasmas son compresibles, es decir, pueden variar su densidad, mientras que los líquidos son incompresibles. La razón de esto, dicha tan mal y pronto como es posible sin ruborizarse, es que las moléculas de los líquidos están ya todo lo cerca que pueden estar –luego no pueden comprimirse– y se atraen lo suficiente unas a otras para resistirse a la separación entre ellas –luego no pueden expandirse–. Lo más que puede suceder es una especie de deslizamiento de unas sobre otras.

Esto es algo de lo que no puede dar cuenta la mecánica de fluidos más primitiva, pues al tratar los fluidos como continuos sin interacciones eléctricas entre moléculas no hay una explicación para ello. Es necesario pensar no sólo en la incompresibilidad de los líquidos sino en la causa de esa incomprensibilidad, que es lo que distingue molecularmente a líquidos de gases: la unión entre moléculas y la distancia más o menos constante entre ellas.

Esto ya supone una diferencia que hemos mencionado antes entre líquidos y gases/plasmas: el océano, hecho de líquido, tiene una superficie de separación en su parte superior. La atmósfera, hecha de gas, no tiene una superficie superior: si ascendiésemos por ella poco a poco notaríamos cómo hay menor densidad de gas a nuestro alrededor hasta que, finalmente, se desvaneciese hasta límites imperceptibles. Al subir hacia la superficie del mar sucede justo lo contrario: la densidad no cambia en absoluto hasta que, de pronto, nos encontramos fuera tras haber atravesado una frontera bien definida.

Y hay algo especial que sucede sobre esa superficie y que, como digo, Arquímedes no pudo tener en cuenta. Pero, para entender lo que sucede allí, fijémonos primero en una parte del fluido que no esté justo en la superficie, sino en algún punto interior al líquido. Y, aunque en este bloque consideremos ideales como el hecho de que los fluidos son continuos, para visualizarlo mejor volvamos a nuestra imagen de bolitas imantadas (que utilizamos al hablar de líquidos hace mucho tiempo). De hecho, observemos una de estas bolitas, que marcaremos en un color más claro que las otras. Puedes imaginar que es una molécula de muchas en una gota de agua:

Esta bolita sufre atracciones por parte de todas las demás que la rodean, siempre que no intente empujarlas para ocupar su espacio, ya que entonces será empujada por ellas a su vez. Podemos visualizar estas atracciones moleculares con la siguiente analogía: las bolitas son algo así como personas en una muchedumbre, todas apretujadas unas contra otras. Estas personas entrelazan los brazos con quienes tienen alrededor, con lo que se resisten a separarse. Por otro lado, si una persona intenta ocupar el lugar de otra, su compañero también se resiste a ese empujón, ya que necesita su espacio.

Representemos estos “entrelazamientos de brazos” o uniones moleculares con líneas con un par de flechas, que representan los tirones que sufre nuestra bolita. En la otra analogía, de las bolitas imantadas, las líneas flechadas representan las atracciones magnéticas:

La consecuencia perogrullesca de esto es la que mencionamos al hablar de la naturaleza incompresible de los líquidos: dado que las distancias no pueden ni acortarse ni alargarse, el volumen es constante y la densidad también. Esto significa que si el líquido está en equilibrio en todos sus puntos y nuestra bolita alcanza el reposo entre sus compañeras, todas esas fuerzas de “no te vayas lejos, pero tampoco demasiado cerca” se compensarán unas a otras y permitirán a la pobre bolita descansar.

Pero hay otra consecuencia más interesante que se pone de manifiesto si nos fijamos en una nueva bolita, pero esta vez una bolita que esté en la superficie de separación entre el líquido y lo que hay fuera –por ahora ignoraremos lo que hay fuera, luego entraremos en ello–. ¿Cuántos “brazos entrelazados” tiene? Muchos menos que antes:

No sólo tiene menos uniones con otras moléculas, sino que además todas están al mismo lado (el de “dentro”, hacia abajo en el dibujo). En la analogía de la muchedumbre, nuestra bolita clara está en el borde del grupo, y siente tirones de brazos en la misma dirección aproximada, hacia dentro del grupo. De hecho, dado que todas las demás bolitas cercanas se atraen con ella, la tendencia natural de nuestra bolita sería entrar en el interior del líquido para estar rodeada del mayor número posible de ellas. Sin embargo, no lo hace. ¿Por qué no?

¡Porque falta la otra cara de la moneda de estas uniones moleculares! La distancia entre bolitas ya es lo más corta que puede ser por esas atracciones: la única manera que nuestra bolita tendría de penetrar en el líquido y rodearse de muchas otras que la atraen sería empujar a otras para hacerse un hueco, pero las demás sienten las mismas atracciones que ella, luego no van a dejar espacio así como así.

¿Cómo reconciliar ambas tendencias? Cada bolita de la superficie tiende a no estar en ella sino dentro del fluido, ¡pero alguien tiene que formar la superficie, porque no todas pueden estar dentro! Si me permites otra analogía ruborizante, la situación se parece sorprendentemente a la de un grupo de pingüinos que se apretujan para guardar el calor en la Antártida, todos de pie unos pegados a los otros. Cualquier pingüino que esté en el borde del grupo siente atracción por los otros: una atracción que no es eléctrica, sino psicológica, porque cada pingüino en contacto con él supone un calorcito muy agradable, mientras que la parte expuesta a la intemperie es muy desagradable.

Pero si ese pingüino intenta entrar en el grupo para no estar en el borde, los otros ejercerán una repulsión sobre él: están tan juntos que no es posible entrar sin empujar a otros. El problema está, por supuesto, en que ningún pingüino quiere estar en el borde pero, al mismo tiempo, ¡alguno tiene que estarlo porque siempre hay una frontera con el exterior!

Una explicación alternativa con energías

Si no conoces la energía potencial puedes saltarte este cuadro, porque no te aportará nada útil, pero si la conoces es posible que te ayude a comprender de lo que estamos hablando en términos energéticos en vez de dinámicos. Recuerda que las interacciones eléctricas entre moléculas de líquido se deben a atracciones y repulsiones entre cargas, que tienen asociada una energía potencial.

Las moléculas de líquido se sitúan a una distancia que minimiza su energía potencial, como cualquier sistema físico tiende a hacer. Esto significa que, por un lado, no se alejarán a más distancia que la que hace mínima la energía potencial eléctrica entre ellas, ni tampoco se acercarán para aumentarla: la distancia de enlace es la que es por esa misma razón. Pero eso no es lo que nos interesa ahora mismo.

La cuestión ahora es que cada par de moléculas adquiere una energía potencial negativa –pues las moléculas están ligadas–. Cuantas más moléculas tenga cerca una molécula dada, más pequeña será su energía potencial total, pues se van añadiendo más y más factores negativos. Por lo tanto, la energía potencial total del sistema formado por todas las moléculas será mínima cuando toda molécula tenga el mayor número posible de otras moléculas a la distancia de enlace.

Dado que las moléculas de la superficie tienen menos moléculas cerca, tienen también más energía potencial que el resto, de manera que cuantas menos haya de éstas, menos energía potencial total habrá. Cualquier alteración de esa estructura aumentaría la energía potencial del sistema, lo cual significa que requiere trabajo.

¿Cuál es la solución evidente al conflicto, tanto en el caso de los pingüinos como el de las moléculas de un líquido? Los componentes del grupo se desplazarán a causa de estas atracciones/repulsiones hasta que se haga máximo el número de unionesentre todos ellos. A su vez, esto tiene una consecuencia también bastante razonable sobre los miembros de la superficie de separación con el exterior: dado que alguien tiene que estar ahí pero esos miembros tienen menos uniones que los demás, la superficie será lo más pequeña posible.

Así, un conjunto de moléculas de un fluido que no estén expuestas a ninguna otra fuerza exterior tomará la forma que minimiza la superficie, es decir, una esfera. No tengo tiempo de entrar aquí a justificar que la esfera es la forma que minimiza la superficie de un volumen dado, pero si ves un documental de pingüinos en la Antártida fíjate en la forma que adopta el grupo (es en dos dimensiones y no en tres, de modo que no es una esfera sino un círculo, pero bueno). Ésta es la razón de que las gotas, en muchas circunstancias, tengan forma esférica.

¡Ojo! Las gotas de lluvia no tienen forma de lágrima

Sé que los viejos del lugar ya lo tenéis bien claro, pero éste es un buen lugar para recordarlo. En ausencia de otras fuerzas, como hemos dicho, una gota de líquido adopta la forma de superficie mínima, es decir, una esfera. Sin embargo, cuando actúan otras fuerzas (la gravedad, la fricción, el contacto con sólidos, etc.) puede alterarse esa forma básica. De hecho, posteriormente dedicaremos un tiempo a hablar de otras formas posibles que puede adoptar una masa de líquido sometida a factores extra.

Sin embargo, aunque luego hablemos de lo que es, hagámoslo ahora de lo que no es. Cuando una gota de agua cae en el aire mientras llueve está sometida, además de a las fuerzas intermoleculares, a la gravedad, la presión del aire frente a ella y la fricción con él. Así, mientras la gota cae puede no tener forma esférica, pero nunca jamás tendrá forma de lágrima.

De hecho, las deformaciones respecto a una esfera que sufre una gota de agua que cae en el aire la hacen asemejarse, en todo caso, a una lenteja. Los factores presentes tienden a achatarla, no a alargarla y darle esa forma absolutamente irreal que se ve a menudo en las ilustraciones de la lluvia. Si quieres algo más de información sobre el asunto, puedes leer el artículo que le dedicamos a esto hace mucho tiempo.

¡Pero no hemos terminado! Una vez adoptada la forma que minimiza la superficie, con todas las moléculas apretujadas unas contra otras dejando el menor número de ellas alrededor del resto, observa las fuerzas que ejercen las sacrificadas bolitas del borde unas sobre otras (recuerda que las bolitas no sólo son atraídas por las de dentro, sino también por las que tienen a los lados en la superficie):

¿Ves el resultado? Cada una siente tirones a ambos lados, de cada compañera con “brazos entrelazados” con ella. Estos tirones se compensan, por supuesto, pero eso significa que hay una tensión hacia los lados y hacia dentro –porque las de dentro también tiran hacia sí, naturalmente– sobre cada bolita de la superficie. Si quisiéramos tomar un objeto extraño e introducirlo en la gota de líquido que acabamos de dibujar no sería tan fácil hacerlo: sería necesario separar bolitas de la superficie. Y esas bolitas se atraen, con lo que se resisten a ser separadas.

La sensación al intentar separarlas o modificar la forma espontánea de la superficie –la forma de superficie mínima– es similar a lo que se siente al tratar de presionar la membrana de un tambor o una tela tensa: una cierta resistencia o tensión. Unatensión superficial.

Tensión superficial

Todo esto no significa, ni mucho menos, que sea imposible separar las bolitas y penetrar en el fluido: simplemente hace falta una cierta fuerza para lograrlo. De hecho, la resistencia que presenta cualquier líquido a deformar su superficie es tan pequeña comparada con la que tú mismo puedes hacer con la mano que es difícil para nosotros notarlo. Sin embargo, es suficientemente grande en el caso del agua para soportar el peso del clip de arriba, o el de este zapatero:

Zapatero sostenido por la tensión superficial del agua (dominio público).

Además, como también creo que resultará evidente, no todos los líquidos son tan tozudos a la hora de mantener su cohesión superficial, ni el mismo líquido es igual de terco si lo rodea una sustancia u otra. Para cuantificar esta propiedad hemos definido una magnitud, la tensión superficial, que indica cuánta resistencia ofrece el líquido a la deformación de su frontera con otra sustancia concreta. ¿Por qué con otra sustancia, y no sólo fijarnos en el propio líquido? Para eso debemos volver un instante al ejemplo de los pingüinos.

Antes decíamos que un pingüino no tiene ninguna razón para estar en el borde del grupo, porque sus compañeros lo atraen. Ahora bien, si hay un borde debe ser una frontera entre el grupo de pingüinos y lo que hay fuera, pero ¿qué hay ahí fuera?Imaginemos que lo que rodea a los pingüinos es un montón de rocas a 30 ºC. Creo que estarás de acuerdo en que entonces los pingüinos del borde, por mucho que sientan atracción por sus compañeros, seguramente no tendrán el menor problema en largarse de allí, porque también son atraídos desde fuera.

Muy al contrario, si lo que rodea a nuestros pingüinos es un montón de cubitos de hielo muy fríos, los pobres pingüinos del borde no sólo no sentirán la menor atracción por el exterior, sino que tendrán una motivación adicional para intentar entrar entre sus compañeros, porque son repelidos por lo que hay fuera. Por esta razón no es tan útil hablar de la “tensión superficial de los pingüinos” sino más bien de la tensión superficial de los pingüinos frente a las rocas calientes (muy poca) o frente a los cubitos de hielo (inmensa).

Dicho esto, la tensión superficial más comúnmente usada es la de cualquier líquido con el aire, de modo que si te encuentras con una en la que no se menciona más que el líquido, seguramente están hablando de la tensión superficial de la frontera líquido-aire, y no de la plata, el vidrio o cualquier otra posible sustancia externa.

Existen varias maneras de definir la tensión superficial, todas ellas bastante técnicas y que no aportarían casi nada a este bloque introductorio, de modo que permite que dé una definición para entendrenos entre nosotros –que no se entere ningún físico–, y ya daremos otras definiciones más rimbombantes en niveles superiores:

La tensión superficial de una superficie de separación líquido-exterior es una medida de la resistencia que ofrece el líquido a la deformación de su superficie en contacto con la sustancia del exterior.

Esta tensión superficial es la responsable de la forma esférica de la gota de antes, ya que hemos supuesto que no había otras fuerzas involucradas. Si en vez de estar en el aire nuestro líquido estuviera, por ejemplo, dentro de un recipiente, la superficie sería diferente: la gravedad tendería a llevar el líquido hacia abajo, de modo que la superficie sería plana en la parte superior del recipiente –aunque luego veremos variaciones sobre esto–.

Visto de otro modo, las moléculas tenderán a estar tan abajo como es posible, pero dado que cada una necesita su espacio, no todas pueden estar al fondo, y las más “sacrificadas” estarán en el borde superior, y serán atraídas por las que tienen a los lados –y por las de abajo si intentan escapar, pero éstas siguen requiriendo su espacio y no dejarán que las de arriba bajen–; el resultado es, una vez más, la formación de una especie de membrana tensa, sólo que en este caso es una membrana más o menos plana, como la del zapatero o el clip de imágenes anteriores.

Como ves, el comportamiento cualitativo es muy similar en todos los líquidos: todos lo son por el hecho de que sus moléculas se atraen unas a otras, de modo que todos presentan tensión superficial, gotas de forma esférica si no hay ninguna otra fuerza involucrada, etc. Sin embargo, existen enormes diferencias en la magnitud de esa tensión superficial; no vamos aquí a dar demasiados números, pero sí dos ejemplos de sendos líquidos muy distintos en este aspecto. Para tener una referencia bien conocida, tomaremos el agua como “líquido tipo”, ya que todos conocemos muy bien su comportamiento, y la compararemos con líquidos más extremos.

Tensión superficial, temperatura y surfactantes

Si has leído ya el bloque [Termodinámica I] y especialmente el artículo dedicado a los estados de agregación no te costará nada entender algo más acerca de la tensión superficial: no sólo depende de las dos sustancias involucradas, sino también de la temperatura del líquido.

Recuerda que la distinción líquido-gas es de grado, y esas palabras son etiquetas. Cuando las moléculas de un líquido de mueven bastante deprisa –es decir, cuando su temperatura aumenta–, sus interacciones mutuas se van haciendo menos importantes hasta que llega un momento en el que pueden escapar de su mutua atracción y la sustancia se convierte en un gas.

Sin embargo, mucho antes de que suceda eso ya se nota una diferencia sustancial: la tensión superficial va disminuyendo según la temperatura aumenta, porque la política de “brazos entrelazados” empieza a flaquear, ya que los golpetazos que se dan las moléculas más y más veloces hace muy difícil esas uniones.

El agua, por ejemplo, tiene un 20% menos de tensión superficial con el aire cuando está a 100 °C que cuando está a 0 °C. Algo parecido les sucede a los demás líquidos, pues es una consecuencia inevitable del propio concepto de temperatura.

También es posible modificar la tensión superficial del agua y otros líquidos añadiendo sustancias nuevas, como supongo que no resultará sorprendente. Lo más común es emplear surfactantes como el jabón, es decir, sustancias que disminuyen la tensión superficial del agua y consiguen así muchas otras cosas para las que no tenemos aquí tiempo ni espacio. En lo que a nosotros respecta lo interesante –como verás al final, en el experimento– es que podemos disminuir a voluntad la tensión superficial del agua añadiéndole un surfactante como cualquier detergente.

El etanol (alcohol etílico) tiene una tensión superficial con el aire unas tres veces menor que el agua. Esto significa que un zapatero como el del dibujo de arriba muy probablemente se hundiría en el alcohol. La esfericidad de las gotas de alcohol está mucho menos asegurada que la de las de agua. Además, como veremos en un momento, el alcohol “moja” más que el agua –que ya moja bastante–. En general, hacer que algo penetre a través de la superficie del alcohol, dado que sus moléculas no tienen tanta cohesión entre ellas como las del agua, es bastante más fácil.

Seguro que ya imaginas el ejemplo contrario que voy a dar: el mercurio. La tensión superficial mercurio-aire es más de seis veces la del agua-aire. ¡Seis veces más! Esto hace que la consistencia de una gota de mercurio –densidad aparte– sea muchísimo más grande que la de una gota de agua, que penetrar a través de su superficie sea muy difícil y es una de las razones de que el mercurio “moje” tan poco.

Ángulo de contacto, hidrofilia e hidrofobia

Esto de “mojar” tiene que ver, una vez más, no con una sustancia sino con dos: el líquido y alguna otra cosa que lo rodee, normalmente un sólido. El agua no se comporta igual si reposa sobre una superficie de plata que sobre otra de vidrio o un suelo encerado. ¿Por qué? Porque no podemos olvidar que las moléculas de agua no sólo sufren fuerzas debidas a sus compañeras, sino también ejercidas por lo que rodea al líquido. Ya hemos hablado de esto al hacerlo del propio concepto de tensión superficial, pero ahora debemos tener en cuenta no sólo dos sustancias: debemos fijarnos en tres.

Por un lado está nuestro líquido –por ejemplo, agua–. Por otro, en la práctica totalidad de los casos, el aire que lo rodea; finalmente, si el líquido está sobre la superficie de algún material sólido, está ese material. Ya hemos dicho que las moléculas de agua se atraen unas a otras; las moléculas de agua y las de aire no sienten apenas atracción las unas por las otras, pero ¿y las moléculas de agua con las del material sólido que la toca?

Pues depende básicamente de la relación entre unas tensiones superficiales y otras, y es una cuestión de grado. No estoy hablando por hablar: suele medirse precisamente en grados, ya que es posible estimar hasta qué punto es mayor una tensión superficial que la otra midiendo el ángulo de contacto entre el líquido y el sólido. Hagámoslo, como suele ser más revelador, con un ejemplo extremo.

Imagina un sólido cuyas moléculas atraen a las de una gota de agua con auténtica hambre: casi tanto como las propias moléculas de agua se atraen unas a otras. Esto significa que la tensión superficial agua-sólido es prácticamente nula, y que las moléculas de agua apenas pueden distinguir –en cuanto a su preferencia se refiere– una molécula del sólido de otra molécula de agua. En ese caso la gravedad hará que la gota de agua se vaya desparramando sobre la superficie del sólido hasta formar algo así:

Gota sobre un material hidrófilo ( MesserWoland / CC Attribution-Sharealike License 3.0).

El ángulo de contacto entre el agua y la superficie es muy pequeño (lo he marcado en rojo), y el material se denomina hidrófilo por su atracción sobre las moléculas del líquido. Cuando un líquido reposa sobre una superficie hidrófila –pues el término no sólo se usa para el agua– tiende a formar charcos muy extensos y poco profundos, y espero que ahora tengas muy claro el porqué.

Si la tensión superficial con el material es mayor pero no exagerada, pasa algo intermedio. Con una superficie neutra en cuanto a hidrofilia se forma un ángulo de contacto similar a 90 ° y gotas aproximadamente semicirculares, como en la figura:

Gota sobre un material ni fu ni fa ( MesserWoland / CC Attribution-Sharealike License 3.0).

Finalmente, el otro extremo es el de un material hidrófobo, que no ejerce la menor atracción sobre las moléculas del líquido y, de hecho, incluso las repele. La gota se comporta casi como si estuviera en el aire, a pesar de sufrir la atracción gravitatoria, de modo que su superficie de contacto es muy pequeña, toma forma casi redonda y el ángulo de contacto es muy grande (en el extremo, de 180 °):

Gota sobre un material hidrófobo ( MesserWoland / CC Attribution-Sharealike License 3.0).

Naturalmente, esto no sólo sucede con la superficie contra la que se apoya el líquido por su parte inferior, sino en todo punto de contacto. Por ejemplo, las patas de un zapatero son hidrófobas, porque de ese modo es más difícil penetrar la membrana de agua y es más probable que el zapatero no se hunda. Del mismo modo, cuando un líquido está en un recipiente cerrado, es posible que su superficie no sea completamente plana precisamente por la misma razón. Espero que esto sea tan razonable, si has comprendido la razón de todo ello, como para que una imagen con tres tubos finos de diferente avidez por el líquido (de menor a mayor tensión superficial con la superficie) hable por sí sola:

Estoy seguro de que has notado el tercer tipo de comportamiento –el de la derecha– en líquidos como el mercurio en un recipiente de vidrio. Cuanto mayor es la tensión superficial con el recipiente, más acusado es el menisco que se forma. De hecho, piensa un momento en términos de ángulo de contacto: ¿ves cómo se corresponde cada uno de los tres tubos con un comportamiento de las gotas de antes? El ángulo de contacto es 90 ° para el tubo central, menor y mayor para los otros dos respectivamente.

En el caso de la superficie hidrófila y la gota, la atracción por parte de la superficie “estiraba” la gota hacia los lados y formaba un charco poco profundo y de base ancha. ¡Pero ahora lo mismo sucede con las superficies verticales! Las paredes del recipiente “tiran” del líquido hacia arriba, y elevan las partes laterales ligeramente como se ve en la figura. Ahora bien, si esas paredes están muy cerca una de otra, es posible que las moléculas de líquido adheridas a ellas por la atracción pared-líquido a su vez atraigan a otras moléculas de líquido de la parte central, con lo que toda la superficie suba de nivel.

Pero claro, entonces las de los lados tienen mayor apoyo para ser atraídas por partes más altas de la pared, y suben un poquito… y a su vez tiran de las moléculas de agua que las rodean. Esto hace que, si no hay mucho líquido en el tubo y las paredes están muy cerca –es decir, si es un tubo muy fino– el agua pueda incluso ir subiendo y subiendo por el tubo contra la gravedad. Este fenómeno recibe el nombre de capilaridad y su importancia biológica es fundamental, sobre todo para las plantas.

Un ladrillo empapándose por capilaridad ( Hankwang/ CC Attribution-Sharealike 3.0 License).

La capilaridad es aún más acusada si no es un tubo recto de paredes lisas –pocos tubos biológicos lo son– sino más bien un montón de cavidades, tubitos cortos e irregulares, etc. Entonces el líquido puede encontrar de vez en cuando superficies horizontales donde apoyarse y es capaz de alcanzar una altura aún mayor. Estoy convencido de que has observado esto cuando dejas, por ejemplo, una esponja sobre un charco de agua y el líquido empieza a empapar toda la esponja hasta que no hay charco y toda la esponja está mojada.

Ideas clave

Para que este artículo te haya servido para establecer una base sólida, deben haberte quedado meridianamente claras las siguientes ideas fundamentales:

• El principio de Arquímedes no se cumple siempre a través de la superficie de los líquidos debido a que no tiene en cuenta la atracción intermolecular
• Estas fuerzas intermoleculares, responsables de que los líquidos lo sean en vez de ser gases, producen una resistencia a la deformación de su superficie denominada tensión superficial
• La tensión superficial es siempre entre pares de sustancias: un líquido y algo con lo que está en contacto
• Existen sustancias hidrófilas, neutras o hidrófobas según la tensión superficial con un líquido sea menor o mayor.
• Si un líquido está encerrado en tubos o cavidades de pequeño grosor y de paredes hidrófilas, puede ascender hasta cierto punto contra la gravedad, un fenómeno llamado capilaridad.

Hasta la próxima

En el siguiente artículo abandonaremos aún más la mecánica de fluidos antigua para viajar hasta las procelosas aguas –nunca mejor dicho– de la dinámica de fluidos.

El experimento de hoy es, como casi todos, muchísimo más gratificante si se hace con un niño –o, mejor aún, si lo hace un niño contigo–. No voy a explicar el porqué de lo que sucede porque, si has entendido el artículo, deberías ser capaz tú mismo de razonar hasta obtener la solución.

Experimento 4 – La venganza de Arquímedes

Material necesario: Una aguja o alfiler, papel higiénico, agua, jabón líquido, un cuenco.

De acuerdo con el sabio de Siracusa, una aguja de acero debería hundirse en el agua por ser más densa que ella. Ahora bien, en la primera parte del experimento demostramos que no: introduce agua en el cuenco y luego deposita la aguja con cuidado sobre la superficie. Si no lo consigues, pon la aguja sobre un trocito de papel higiénico y pon éste sobre el agua: el papel se empapará (por capilaridad, por cierto) y se hundirá en el agua, dejando la aguja flotando sobre la superficie.

Ahora resarciremos a Arquímedes disminuyendo la tensión superficial del agua hasta que la aguja se hunda como siempre debió hacer (por respeto al gran siciliano). Para ello emplearemos un surfactante, el jabón. O bien añades jabón líquido hasta que la aguja se hunda o, si no puedes mezclarlo bien con el agua, saca la aguja, mezcla el jabón con agua y repite el procedimiento del papel higiénico: esta vez la aguja se hundirá con él.

Existen muchas más maneras de jugar con el jabón y la tensión superficial, usando aceite y objetos diversos, pero dejo a tu imaginación (o a la del niño) qué más hacer. Desde luego se agradecen ideas para los demás en comentarios. ¡A jugar!

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The [Mecánica de fluidos I] Tensión superficial by Pedro Gómez-Esteban, unless otherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.

Publicado por Pedro el Friday, July 5, 2013, a las 15:33, y clasificado en Ciencia, Física,Mecánica de fluidos.Sigue los comentarios de esta entrada con su RSS de comentarios.Puedes escribir un comentario o trackback desde tu blog.

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[Mecánica de fluidos I] Líquidos, gases y plasmas | El Tamiz

{  2012 09 14 }

[Mecánica de fluidos I] Líquidos, gases y plasmas

En la introducción a la mecánica de fluidos hablamos sobre la diferencia fundamental entre sólidos y fluidos: la capacidad de cambiar de forma, es decir, de fluir. Sin embargo, aunque todos los fluidos tengan esta característica en común, existen otras diferencias en su comportamiento que merecen un capítulo aparte. Aprovecharemos, además, para adquirir una idea general sobre cómo y por qué fluyen este tipo de medios, y para definir un concepto que nos será utilísimo más adelante: la densidad.

¿Preparado?

La mejor manera de entender las diferencias entre los distintos estados de agregación es empezar con uno y luego ir modificando las propiedades poco a poco. En mi opinión, una de las formas más intuitivas de hacerlo es empezar con los sólidos para luego caer por la “escalera del caos” hacia estados menos ordenados.

Sí, este bloque no está dedicado a los sólidos, pero como verás más adelante los usaremos como referencia varias veces, de modo que permite que nos detengamos un momento en ellos antes de zambullirnos –qué chispa tengo, ¿eh?– en líquidos y otros fluidos aún más interesantes.

Sólidos

Es imposible comprender las causas del distinto comportamiento de sólidos, líquidos, gases y plasmas sin entender cuál es su estructura microscópica, ya que ésa es la razón de que se comporten de diferente manera. Desde luego, aquí no vamos a dar un tratado sobre fuerzas intermoleculares y vamos a simplificar bastante las cosas, pero es necesario conocer el modelo básico de cada estado.

Como seguro que sabes, toda la materia a nuestro alrededor está formada por partículas microscópicas: pueden ser moléculas, átomos o incluso protones, neutrones y electrones sueltos, pero ahora mismo eso nos da igual. Lo esencial es la naturaleza discreta de la materia, a pesar de que nos sea imposible discernir esa naturaleza discreta y podamos considerar, en nuestras ecuaciones, que muchos objetos son continuos, como ya vimos en la introducción al bloque.

Lo que distingue unos medios de otros es, fundamentalmente, cómo están asociadas esas partículas. Puedes imaginar cada una de ellas como una minúscula canica de un metal enormemente denso, y cada objeto como un conjunto de billones de esas minúsculas canicas.

Para imaginar un sólido y su comportamiento, intenta visualizar la siguiente escena: la miríada de pequeñas canicas están unidas unas a otras mediante pequeñas barras metálicas, finísimas pero increíblemente resistentes. Cada canica está soldada a las barras que la rodean, que a su vez están soldadas a más canicas. El resultado es una gran red formada por infinidad de canicas unidas unas a otras mediante esas barras metálicas.

Modelo microscópico de un sólido ideal (fdecomite / CC 2.0 Attribution License).

Desde luego, en la realidad no hay “barras”: lo que mantiene las partículas que forman el sólido en esas posiciones son fuerzas eléctricas entre ellas, pero es más sencillo imaginarlos así para nuestro propósito en este bloque, que es estudiar cómo se mueven unas partes del objeto respecto a otras. En el caso de un sólido nada se mueve por su lado: es posible mover el objeto como un todo, pero las posiciones y distancias relativas de las partículas que lo constituyen no cambian jamás.

¿Y la temperatura?

Si sabes algo de termodinámica tal vez estés arqueando la ceja ante ese jamás tan categórico… y sí, tienes razón.

Dado que la temperatura de un cuerpo está relacionada con la velocidad con la que se mueven sus partículas, estrictamente hablando el único cuerpo en el que las distancias entre “canicas” no cambian nunca sería uno a la temperatura más baja posible, el cero absoluto. En un sólido real las partículas vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio tanto más rápido cuanto más caliente está el cuerpo.

Sin embargo, dado que en este bloque nos preocuparemos por el movimiento macroscópico de las cosas, esos movimientos microscópicos tan nimios no son importantes. Si quieres profundizar un poco más en esa parte del comportamiento de los cuerpos es mejor que leas el bloque dedicado a ese asunto, Termodinámica I.

En lo que a nosotros respecta al estudiar la mecánica de los cuerpos, lo esencial de un sólido ideal es que se mueve como un todo. Permíteme que ponga un ejemplo un poco tonto para luego modificarlo al hablar de los otros estados. Imagina un cubo sólido de 1000 kg de masa y un metro de lado; imagina ahora, paciente y estimado lector, que pongo ese cubo de 1 m³ sobre tu cabeza. El desenlace sería bastante desagradable para ti, y creo que no hace falta que entre en más detalles –lo haré cuando modifiquemos el ejemplo al hablar de líquidos y gases–.

En nuestro modelo de “canicas y barras”, lo que distingue a unos sólidos de otros en su interacción con los fluidos es básicamente la masa de las canicas y la longitud de las barras: es posible, por ejemplo, que las distancias intermoleculares –si las partículas que forman el objeto son moléculas– sean muy grandes, de modo que las canicas estén muy separadas unas de otras, o que por el contrario estén muy cerca; es posible que cada canica tenga una gran masa, si se trata de un elemento muy pesado, o que cada canica sea muy ligera si es un elemento ligero.

Pero, independientemente de la causa, es posible cuantificar esta propiedad de un modo bastante sencillo, definiendo una magnitud que nos diga cuánta masa hay en un volumen determinado del sólido, ya sea por la distancia entre partículas, por la masa de cada partícula o una combinación de ambos factores. Y esta magnitud, que utilizaremos mucho a lo largo del bloque, no es otra que la densidad.

Densidad

El origen de la densidad como concepto es muy antiguo, y la base del concepto es la necesidad de comparar lo pesados que son los distintos materiales.

La clave de la cuestión es precisamente ésa: comparar materiales, no cuerpos concretos. No vale tomar un trozo de acero de 1 kg y un trozo de madera de 500 kg y deducir, por tanto, que la madera en general es más pesada que el acero en general: eso no tendría ningún sentido. Tampoco lo tiene comparar 1 kg de plomo con 1 kg de paja y concluir que la paja pesa, como material, lo mismo que el plomo. Por un lado no queremos comparar objetos concretos sino los materiales en sí, independientemente del objeto; pero por otro lado no podemos pesar “plomo en general” y “madera en general”, sólo podemos pesar objetos concretos.

La solución es simplemente tomar objetos del mismo volumen. Así, si comparamos dos objetos de 5 m³, uno de acero y otro de corcho, el de acero pesará muchísimo más que el de corcho. Pero si tomamos objetos de los mismos materiales y de 10 m³ sucederá lo mismo, e igual si comparamos cualquier par de objetos del mismo volumen, uno de acero y otro de corcho. De hecho, la relación numérica entre las masas de ambos objetos –siempre que los dos tengan el mismo volumen, claro– se mantendrá constante para cualquier volumen: si un trozo de corcho pesa 1 kg y el trozo de acero del mismo tamaño pesa 20 kg, entonces si tomamos un trozo de corcho de 1 tonelada el trozo de acero del mismo tamaño que él pesará 20 toneladas.

Puesto que da igual qué volumen se tome siempre que sea el mismo para todos los objetos, tiene todo el sentido del mundo emplear como “volumen de referencia” la unidad de volumen, es decir, el metro cúbico. Así, la densidad de un material se define del siguiente modo:

La densidad es la masa por unidad de volumen.

Por lo tanto, para conocer la densidad de un material basta con obtener un objeto de 1 m³ de ese material, pesarlo y listo. Naturalmente, también es posible obtener un objeto de 10 m³, pesarlo y luego dividir la masa por diez para conocer la masa por cada metro cúbico, o pesar un objeto de tan sólo 0,1 m³ y luego multiplicar su masa por diez. Lo esencial es siempre utilizar como referencia final el metro cúbico, de modo que el tamaño del objeto que estemos estudiando no influya en el resultado.

Unidad de la densidad – El kilogramo por metro cúbico

Puesto que la densidad es la masa por unidad de volumen, sus unidades son precisamente ésas: las de masa entre las de volumen. A pesar de que es una magnitud muy utilizada, no ha recibido un “nombre propio”, como sucede con otras unidades que veremos en este mismo bloque. Esto hace que su definición sea un tanto perogrullesca:

Un kg/m³ es la densidad de un objeto de masa 1 kg que ocupa un volumen de 1 m³.

Sin embargo, ¿cuánto es eso? ¿mucho, poco o regular? Si vas a aprovechar este bloque debes tener, al menos, una idea aproximada de qué significa una densidad concreta, ya que como veremos es una magnitud esencial para conocer lo que le sucede a las cosas inmersas en un fluido.

Un metro cúbico de hormigón (Rama/Creative Commons Atribution Sharealike 2.0 France).

En este caso es posible estimarlo sin demasiados problemas: 1 kg es la masa de un paquete de arroz típico, y 1 m³ es un cubo de un metro de ancho, un metro de largo y otro de alto. Si repartes el arroz en todo ese volumen, la densidad resultante es 1 kg/m³. En resumen, la unidad de densidad es muy pequeña, y la mayor parte de los objetos a nuestro alrededor tienen densidades bastante mayores.

Como siempre, la mejor manera de visualizar unidades es precisamente con ejemplos de la vida real. La densidad del hierro es de unos 7 000 kg/m³, la del hormigón de unos 2 400 kg/m³ y la del cartón unos 700 kg/m³. Más importante aún es conocer la densidad aproximada de los dos fluidos más importantes en nuestra vida –tan importante es que son las únicas dos densidades que exijo memorizar a mis alumnos–: el agua y el aire. Pero hablaremos de ellas al hacerlo de cada uno de esos dos tipos de fluido.

¡Ojo! Los sólidos no son más densos que los fluidos

Es muy común caer en el error de pensar que un sólido, por el hecho de serlo, es más denso que un líquido, y que los líquidos son a su vez más densos que los gases. Esto es, sin embargo, una mentira como un piano de cola.

La razón de que tengamos esta idea en la cabeza es que, efectivamente, en los objetos a nuestro alrededor sucede muy a menudo: un clavo es más denso que el agua, y el agua es más densa que el aire. Sin embargo, la densidad del mercurio líquido a temperatura ambiente es de unos 13 500 kg/m³, de modo que es unas cinco veces más denso que el hormigón.

No: lo que distingue a unos de otros no es lo densos que son o dejan de ser, sino la movilidad de sus partículas unas respecto a otras. Es posible tener partículas en posiciones fijas pero bastante alejadas o viceversa.

Líquidos

Ya hemos visto qué tienen en común los estados fluidos de la materia: la carencia de forma propia. En todos ellos, las partículas que forman el medio no se encuentran en posiciones fijas, como sucedería en un sólido, sino que pueden deslizarse y moverse unas respecto a otras. En términos de nuestras canicas y barras, aquí no hay barras, sino canicas que no tienen posiciones fijas.

Ahora bien, ¿en qué se diferencian los tres estados fluidos? Tener clara esta diferencia hará mucho más fácil atacar problemas teóricos más adelante; por eso, aunque sea algo razonablemente sencillo, quiero dejarlo bien asentado antes de seguir con el bloque. No hace falta que diga que un fluido real no se adecúa perfectamente a las características de ninguno de los tres estados ideales que son, precisamente, “moldes teóricos” de comportamiento.

De los tres estados, el líquido es el más parecido a un sólido. Puede fluir, desde luego, pero la distancia entre moléculas apenas cambia. Es algo parecido a harina extremadamente fina: los granos siempre están tocándose, pero pueden deslizarse unos sobre otros de modo que la harina tome una forma u otra.

En términos de las canicas, es algo así como un montón de pequeñas bolas imantadas: pueden moverse y adaptarse a la forma del recipiente que las contenga, pero no se alejarán unas de otras, sino que permanecerán en contacto –orientándose además según los polos magnéticos de cada una, pero eso nos da igual ahora mismo–. Como puedes ver, es un paso hacia el caos y la flexibilidad respecto a los sólidos: en aquéllos no cambia ni forma ni volumen, pero aquí puede cambiar la forma (por eso es un fluido), aunque todavía no el volumen (por eso es un líquido y no otro fluido).

Dicho de otra manera, un líquido ideal tiene siempre el mismo volumen, es decir, es incompresible (no incomprensible, por cierto, salvo que sea un fluido que se explica muy mal). Por mucho que intentes expandirlo o comprimirlo no podrás, ya que hacer eso significaría alterar la distancia entre moléculas: apretar unas contra otras o alejar unas de otras. Y eso no puede suceder por la propia definición del líquido. La razón de que los líquidos se comporten así, por cierto, es que las fuerzas intermoleculares son lo suficientemente intensas como para mantener ese statu quo de distancia.

Puedes pensar en ello así, aunque sea una simplificación: en un líquido, las moléculas están lo más cerca que pueden estar, “tocándose”. Por tanto, no pueden acercarse más. Además, esas moléculas sienten la suficiente atracción unas por otras como para no alejarse, con lo que la consecuencia conjunta de ambas cosas es que la distancia siempre permanezca igual.

Gota de agua (Fir0002/Flagstaffotos/Gnu Free Documentation License 1.2).

Si volvemos al ejemplo del objeto de 1 000 kg de masa y 1 m³ de volumen que yo ponía sobre tu cabeza, imaginemos ahora que no es un sólido, sino un líquido. De hecho imaginemos que es el líquido más importante para nosotros, el agua, ya que ésa es precisamente la densidad del agua: 1 000 kg/m³. Ya sé que puede parecer un número muy grande, pero recuerda que la unidad de densidad es muy pequeña, y que un metro cúbico de agua –es decir, mil litros– es mucha agua.

¿Qué te sucedería si pusiera ese cubo de agua sobre tu cabeza –sin paredes ni recipiente, claro–? Pues muy poco. El agua se deslizaría sobre ti, caería al suelo y te mojaría, pero poco más: algo muy diferente del caso anterior en el que poníamos un bloque sólido sobre tu testa. Sé que esto puede parecer una obviedad, pero para afrontar el siguiente bloque, piensa en ello así: tu cabeza no ha interaccionado con toda el agua ni ha recibido el peso de todo el bloque de agua, sino sólo parte de él.

En el caso del sólido, aunque sólo algunas moléculas tocaban tu cabeza, la fuerza que hacía el bloque sobre ella era mucho mayor, porque unas moléculas “tiraban” de otras, al tener posiciones fijas, obligando al bloque a comportarse como un todo empujando, cayendo y moviéndose. Pero ahora la cosa no es igual: unas moléculas del agua pueden empujar tu cabeza, otras pueden caer deslizándose… la libertad de movimiento de las moléculas en el líquido cambia completamente su comportamiento, y de eso hablaremos en el siguiente capítulo del bloque.

Gases

Un gas supone un paso más hacia el caos: ahora ni siquiera la distancia entre partículas es constante. En términos de nuestras canicas es algo así como tener las bolas moviéndose a gran velocidad, al azar, rebotando en las paredes de una habitación. Por lo tanto, un gas es un fluido compresible: es posible forzar las partículas a acercarse unas a otras o alejarse unas de otras.

La primera consecuencia de esto es que la densidad de un gas puede variar con gran facilidad, a diferencia de sólidos y líquidos. Un ejemplo muy fácil es un globo: si aprietas las paredes, el gas dentro se comprime. Por eso es más difícil hablar de la densidad de un gas en general — siempre hace falta especificar a qué presión y a qué temperatura. Para ahorrar palabras, es común hablar de la densidad de un gas en condiciones normales, con lo que nos referimos a la presión atmosférica normal y una temperatura de 0 °C.

El gas más importante para nosotros, sin duda, es el aire. Químicamente es, desde luego, una mezcla de cosas, fundamentalmente nitrógeno molecular y oxígeno molecular, pero ahora mismo eso nos da igual, ya que lo que nos interesa es su comportamiento mecánico. La densidad del aire que te rodea ahora mismo, salvo que estés en un sitio un poco raro, seguramente es de unos 1,2 kg/m³, es decir, tan sólo un poco superior a la unidad de densidad, y unas ochocientas veces menos denso que el agua. Pero, como he dicho antes, no es difícil variar esta densidad si cambia la temperatura o la presión.

Pero… ¡si el aire no pesa!

Ésta es una idea que muchos tenemos en la cabeza: que el aire no pesa. En algunas ocasiones la idea se refiere a otros gases distintos del aire, como el helio: el helio sube, luego no pesa. Esto es, desde luego, más falso que Barrabás.

Cualquier cosa con masa sufre la acción de la gravedad y, por tanto, tiene peso. A consecuencia de ello, es atraído hacia el centro de la Tierra con una fuerza que depende de su masa –una fuerza que se llama, no por casualidad, peso–. Por lo tanto, todo lo que tiene masa tiene peso.

Si el aire, por ejemplo, no pesara, no habría nada que lo retuviese sobre la superficie de la Tierra, escaparía al espacio a lo largo del tiempo y todos estaríamos muertos. Puesto que tanto tú como yo estamos vivos y respirando, el aire pesa y por eso sigue aquí, apretado contra la superficie de la Tierra y proporcionándonos oxígeno.

Respecto al helio y otros gases más ligeros, puesto que tienen masa, también pesan: de la razón de que parezca que no pesan hablaremos al hacerlo de la flotabilidad. Por si tienes curiosidad, la densidad del helio es de unos 0,18 kg/m³, casi siete veces más ligero que el aire.

Si soltásemos un objeto gaseoso de 1 000 kg de masa y 1 m³ de volumen sobre tu cabeza –y para conseguir algo así tendríamos que comprimirlo mucho– la situación no sería muy distinta de la del líquido anterior: puesto que el gas fluye, no interaccionarías con todo el cubo de gas, sino sólo con la parte que toca tu cabeza. Además, la libertad absoluta de movimiento de las partículas del gas seguramente haría que muchas salieran disparadas en todas direcciones, de modo que ni siquiera se acercarían demasiado a ti.

Las partículas que forman los gases suelen moverse a tal velocidad y con tal libertad que tienden a ocupar todo el espacio disponible para ellas –salvo que pasen ciertas cosas, pero de eso hablaremos más adelante–. Los gases son, por lo tanto, bastante más difíciles de retener y mantener bajo control que los líquidos: enseguida se escapan de los recipientes que los contienen. Es posible, por ejemplo, tener un líquido en un recipiente y verterlo sobre otro, pero hacer lo mismo con un gas es mucho más complicado, salvo que sea un gas más denso que el aire. Hace bastante tiempo hicimos aquí mismo un experimento en el que se ponía de manifiesto precisamente eso en el caso del dióxido de carbono.

Plasmas

Aunque en este bloque nos dedicaremos principalmente a los fluidos más comunes a nuestro alrededor –líquidos y gases–, no está de más tener una idea del comportamiento del tercer tipo de fluidos, los plasmas. En muchas cosas se parecen a los gases, pero en otras son completamente distintos de cualquier otro estado de la materia.

Las cosas que nos rodean están formadas por moléculas o átomos sueltos. Tanto unas como otros, a su vez, están compuestos de partículas más pequeñas –electrones, protones y neutrones–, algunas de las cuales tienen carga eléctrica. Pero, en cualquier sólido, líquido o gas normal, las cargas eléctricas están compensadas en cada molécula o átomo. Por poner un ejemplo concreto: el átomo de hidrógeno más simple que existe está formado por un protón (con carga positiva) y un electrón (con carga negativa). Por lo tanto, cada átomo de hidrógeno no tiene carga neta, ya que ambas se compensan.

Si tienes un montón de hidrógeno formado por billones de átomos, la cosa no cambia: sigue habiendo billones de protones unidos a billones de electrones, con lo que la carga neta de cada átomo es nula. Pero ¿qué pasaría si consiguieras separar los protones de los electrones? Haría falta calentar mucho el gas, o bien someterlo a campos electromagnéticos muy intensos, pero es posible hacerlo (de hecho, lo hacemos todo el tiempo en varios de nuestros aparatos tecnológicos). ¿Qué tendríamos entonces?

Lo que tendríamos sería el mismo número de protones y electrones de antes pero, en vez de unidos en parejas protón-electrón sin carga eléctrica, estarían todos sueltos, protones y electrones libres moviéndose cada uno a su albedrío. En palabras más técnicas, tendrías un gas ionizado –puesto que las partículas con carga eléctrica no nula se llaman iones–, es decir, un plasma.

En otras palabras, un plasma es algo así como una sopa de cargas eléctricas. Es un paso más hacia el caos; puede parecer que es básicamente lo mismo que antes, pero no es así. Hay multitud de cosas que pueden sucederle a las cargas eléctricas “sueltas” cuando se las somete a campos eléctricos y magnéticos que las cargas “compensadas” no notan. Si se somete un plasma a un campo electromagnético más o menos intenso, en él pueden formarse corrientes eléctricas, remolinos y muchos otros fenómenos bastante complicados.

Por esa razón es bastante más complicado estudiar los plasmas que los gases, aunque se parezcan en otras cosas. De hecho, es muy difícil estudiar plasmas empleando únicamente la mecánica, ya que el electromagnetismo es fundamental para entender su comportamiento, al ser tan sensibles a él. Ésa es la segunda razón de que en este bloque no hablemos mucho de los plasmas: hace falta combinar mecánica con otras partes de la Física para entenderlos, pero éste es un bloque introductorio. ¡Algún día!

Al principio he dicho que los fluidos más comunes a nuestro alrededor son líquidos y gases, y esto es cierto. Sin embargo, si abrimos la mirada al Universo entero, la cosa cambia mucho: casi todo lo que existe es un plasma. De hecho, podríamos decir que el Universo es un plasma de hidrógeno con impurezas. Y nosotros, claro, somos una de esas impurezas. La razón es que las estrellas son básicamente hidrógeno en forma de plasma, y gran parte de la materia interestelar e intergaláctica está también ionizada.

El Sol, alias “inmensa bola de plasma” (NASA).

Ideas clave

Para afrontar el resto del bloque deben haberte quedado meridianamente claras las siguientes ideas:

• En un sólido no cambian nunca ni las posiciones ni las distancias entre las partículas que forman el cuerpo.
• Un líquido es un fluido incompresible, por lo que cambian las posiciones pero no las distancias de las partículas.
• Un gas es un fluido compresible en el que pueden cambiar tanto posiciones como distancias de partículas que componen el cuerpo.
• Un plasma es un gas ionizado en el que las cargas están sueltas, con lo que su comportamiento viene determinado en gran parte por el electromagnetismo.
• La densidad de un medio es su masa por unidad de volumen.
• La unidad de densidad es el kilogramo por cada metro cúbico (kg/m³).

Hasta la próxima…

En la próxima entrega haremos énfasis en algo que hemos mencionado hoy: el hecho de que no interaccionas con un fluido en su totalidad, sino sólo con parte de él. Nos dedicaremos, por tanto, a hablar de la presión. Mientras tanto, ya que volveremos a ello en un par de capítulos, practicaremos un poco con la densidad.

Desafío 1 – Densidad

Aunque en este tipo de bloques no hagamos demasiados cálculos, es importante asimilar el concepto de densidad con números, sobre todo al comparar densidades con las del agua (recuerda, 1 000 kg/m³) y el aire (1,2 kg/m³). De manera que hagamos exactamente eso…

El objetivo de este pequeño desafío es que ordenes los siguientes objetos del menos denso al más denso:

1. Una bola de goma cuya densidad es el 80% de la del agua.

2. Un anillo de oro (búscate la vida).

3. Un tornillo de 10 gramos y 10^-6 m³.

4. Un trozo de madera de 0,5 kg y un volumen de 0,8 m³.

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The [Mecánica de fluidos I] Líquidos, gases y plasmas by Pedro Gómez-Esteban, unless otherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.

Publicado por Pedro el Friday, September 14, 2012, a las 07:18, y clasificado en Ciencia, Física, Mecánica de fluidos.Sigue los comentarios de esta entrada con su RSS de comentarios.Puedes escribir un comentario o trackback desde tu blog.

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