El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

[Mecánica de fluidos I] Presión atmosférica

En el capítulo anterior de [Mecánica de fluidos I] estudiamos el principio fundamental de la hidrostática y su conclusión anti-intuitiva de que el volumen de fluido no influye sobre la presión, sino que sólo lo hacen su profundidad y densidad. Como espero que recuerdes, hablamos también de Blaise Pascal y sus experimentos para demostrar este principio, y terminamos con algunos números concretos al aplicar el principio a cosas como el océano o la atmósfera.

Hoy seguiremos precisamente hablando acerca del aire y la presión que ejerce sobre todo lo que hay en su interior –como nosotros mismos–, y volveremos a disfrutar del genio de Blaise Pascal. No será un artículo denso en conceptos, sino que intentaremos relacionar lo que hemos estudiado hasta ahora con un fluido concreto y especialmente con la presión que ejerce, de paso que recorremos brevemente la historia de nuestro conocimiento sobre esa presión, la presión atmosférica. Además, para terminar haremos juntos –si lo tienes a bien– uno de mis experimentos favoritos relacionados con la presión.

Como dijimos en el artículo anterior, al aplicar la ecuación fundamental de la hidrostática a la capa de aire que corresponde a un edificio de diez pisos el resultado no es demasiado impresionante: unos 360 pascales. La razón era, por supuesto, que la densidad del aire es muy pequeña, de algo más de un kilo por cada metro cúbico. Pero ¿qué sucede si aplicamos el principio a toda la atmósfera?

Lo primero que sucede, desgraciadamente, es que la ecuación que obtuvimos en el artículo anterior no sirve: como recordarás, allí hicimos la suposición de que tanto la gravedad como la densidad del fluido eran uniformes. Esto es muy aproximadamente cierto para el desnivel que corresponde a un edificio de diez pisos pero, claro está, no lo es para el espesor de la atmósfera entera. Es posible calcular la presión de un modo más complicado teniendo en cuenta la variación de la densidad del aire con la altitud (la gravedad varía bastante poco pero también es posible tener en cuenta esa variación), pero es que ni siquiera hace falta eso. No hay más que recordar los ejemplos de los vasos comunicantes de la entrega anterior para poder inventar un sistema con el que medir la presión de la atmósfera entera con la misma ecuación de antes.

Mejor dicho, no hace falta más que recordar eso… y tener el ingenio necesario para poner en práctica el sistema, algo que consiguió un italiano, discípulo de Galileo Galilei: Evangelista Torricelli.


El experimento de Torricelli

Torricelli fue conquistado por la forma de hacer ciencia de Galileo cuando leyó su magnífico Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno à due nuove scienze (Discursos y demostraciones matemáticas en torno a dos nuevas ciencias), del que hemos hablado largo y tendido en el pasado. Aunque Torricelli sólo convivió con su maestro durante unos meses, la filosofía galileana lo marcó profundamente, sobre todo la contribución más importante de Galileo a la ciencia moderna: la idea de que el Universo está escrito en el lenguaje de las matemáticas. Así, Torricelli no sólo fue un gran científico sino también un excelente matemático, y aplicó su conocimiento en un campo al otro constantemente para resolver problemas.

Uno de estos problemas era un misterio que traía locos a los científicos del siglo XVII. En la época empezaban a construirse las primeras bombas de vacío, que usando válvulas extraían aire de un recipiente, consiguiendo así elevar agua. El funcionamiento de la elevación del agua usando estas bombas, de acuerdo con la física de la época, tenía todo el sentido del mundo: desde los antiguos griegos –en particular Parménides y, sobre todo, Aristóteles– existía el concepto del horror vacui. La Naturaleza aborrece el vacío, luego si tratamos de crear uno, los fluidos se moverán para rellenar ese vacío de modo que no exista. Al retirar el aire que hay sobre un líquido, por ejemplo, obligamos al líquido a subir para rellenar ese vacío, que no puede existir más que un instante antes de que la Naturaleza –por razones que nadie acertaba a explicar– acabe con tal espanto.

Sí, todo esto tenía sentido excepto por el misterio que he mencionado antes. Los ingenieros del Gran Duque de la Toscana, a principios del siglo XVII, se encontraron con que la Naturaleza aborrece el vacío sólo hasta cierto punto. Cuando construían bombas para elevar agua los aparatos funcionaban estupendamente bien, pero sólo para elevar el agua hasta unos diez metros. Cualquier intento para elevar el agua más allá no tenía absolutamente ningún efecto: el agua iba subiendo según se retiraba el aire del tubo sobre su superficie, hasta que alcanzaba diez metros de altura. Y entonces se paraba. No había nada que se pudiera hacer para que siguiera subiendo.

Y esa altura de diez metros para la columna de agua no dependía de nada: ni de la potencia o calidad de la bomba, ni del grosor del tubo (¡incluso un tubo finísimo con muy poca agua dentro sólo la subía diez metros!), ni de ninguna otra cosa. ¿Por qué? ¿Por qué la Naturaleza no aborrecía el vacío que quedaba sobre el agua? ¿O es que no había tal vacío?

De acuerdo con el divino Galileo Galilei, la razón era la siguiente. El vacío ejercía una fuerza de succión sobre el agua, pero esa fuerza tenía un límite: si se intentaba elevar demasiada agua, era como si se intentase levantar un enorme peso con un hilo no demasiado resistente, que terminaba rompiéndose y no podía continuar levantando el peso. Cuanto más perfecto fuera el vacío, mayor sería la fuerza de succión ejercida por el horror vacui.

Dos italianos, Gasparo Betti y Rafael Magiotti, decidieron entonces realizar un experimento para medir esa máxima fuerza de succión realizada por el vacío. Para ello no usaron una bomba –que nunca puede extraer todo el aire de un recipiente, y menos aún las de 1640–, sino algo de una elegancia y una sencillez que me admira.

Magiotti y Berti tomaron un tubo de plomo muy largo completamente lleno de agua y cerrado por ambos extremos (en el superior había una parte de vidrio para ver el interior); lo pusieron vertical y sumergieron el extremo inferior en una gran tinaja de agua, y luego quitaron la tapa inferior del tubo –la que estaba bajo el agua–. Puedes imaginar lo que sucedió: el agua descendió por el tubo hasta que el desnivel entre la superficie del agua de la tinaja y la superficie del agua dentro del tubo había unos diez metros.

Experimento de Berti y Magiotti
Grabado del experimento de Magiotti y Berti en Florencia.

Pero ¿qué sustancia ocupaba el espacio sobre la superficie del agua dentro del tubo? El extremo superior estaba cerrado, de modo que no podía entrar aire, y no se habían observado burbujas de aire subir por el tubo, de manera que nada había entrado tampoco por el extremo inferior. La conclusión de Berti y Magiotti fue clara: en la parte superior del tubo no había nada. Era el vacío, que sostenía, tirando hacia arriba, el agua que había por debajo. Esto era controvertido, claro, ya que como hemos dicho mucha gente pensaba que el vacío no podía existir. Los partidarios de la física aristotélica sostenían que la parte superior no estaba realmente vacía, sino rellena de vapor de agua, aunque fuese con una densidad bastante pequeña.

Sin embargo, otro italiano no estaba de acuerdo con Galileo, Magiotti y Berti: el propio discípulo de Galileo, Evangelista Torricelli. Para Torricelli no era necesario recurrir al horror vacui para explicar lo que estaba pasando: según él, quien elevaba el agua era el peso de la atmósfera. No era que el vacío tirase hacia arriba del agua del tubo, sino que el aire la empujaba desde abajo. Esto era una locura aún mayor para los aristotélicos: ¡pero si el aire no pesa!

Para poder experimentar de manera más simple que Berti y Magiotti, Torricelli realizó un experimento muy similar con un líquido mucho más pesado que el agua: el mercurio. Dado que el mercurio es trece veces más denso que el agua, una columna de mercurio que pese lo mismo que otra de agua tiene una altura trece veces menor. Como sus predecesores, Torricelli llenó el tubo con el líquido –mercurio en este caso–, introdujo el extremo inferior en una tinaja llena de ese líquido y luego dejó libre ese extremo inferior. El mercurio descendió por el tubo, dejando un hueco en la parte superior, y el italiano observó lo que esperaba: que la columna de mercurio medía trece veces menos sobre la superficie libre del líquido de lo que había medido la de agua en el experimento anterior. Por si tienes curiosidad, la columna medida por Torricelli tenía unos 76 cm de altura, algo mucho más manejable que diez metros de tubo.

Experimento de Torricelli

La explicación de Torricelli –que era la buena, por cierto, aunque él no pudiera aún demostrarlo– era la siguiente: el mercurio del tubo sufre una fuerza hacia abajo, su propio peso, y otra hacia arriba, que es el peso del aire que empuja la superficie de mercurio en la tinaja, como se ve en la figura. Así, la columna de mercurio actúa como una especie de balanza: cuando el peso de la columna es igual que el del aire de fuera, todo se equilibra. Si echásemos algo más de mercurio –como sucede al principio del experimento, cuando hay más de 76 cm de mercurio–, el mercurio del tubo pesa más que el aire de fuera, con lo que desciende hasta que su peso iguala el del aire, y entonces se detiene.

Como puedes imaginar, la mayor parte de los filósofos naturales de la época se llevaron las manos a la cabeza: en primer lugar, ¿qué era esto de que el aire pesaba, y que no hacía falta recurrir al horror vacui para explicar que el mercurio del tubo no se cayera? Y en segundo lugar, ¿cómo osaba Torricelli contradecir a su maestro, ya fallecido, el gran Galileo Galilei? Y el problema era, claro está, que tan válida era una explicación como la otra –aire que empujaba desde abajo o vacío que tiraba desde arriba–. ¿Quién podría deshacer el entuerto?


El experimento de Pascal

Pues el auténtico héroe de este bloque de artículos, claro: Blaise Pascal, tan ingenioso como dado a la farándula y el experimento público. Pascal tenía una intuición física fuera de lo común y en cuanto escuchó hablar del experimento de Torricelli se puso de su parte: la explicación de Torricelli le parecía más probable que la del vacío. Y Pascal –en mi humilde opinión, claro– era un experimentador más ingenioso que Torricelli. En poco tiempo ideó dos experimentos con los que desafiar a los aristotélicos.

En primer lugar, para desmontar la idea de que la parte superior del tubo de Torricelli (como el de Berti y compañía antes que él) no estaba vacía, sino llena de vapor como decían los aristotélicos, Pascal hizo algo digno del mejor empirista: desafió a los otros a predecir lo que sucedería con un experimento diferente. Si se llenaba el largo tubo y el recipiente con vino en vez de agua, ¿mediría la columna más o menos que antes? La densidad del vino es muy parecida a la del agua, de modo que eso no iba a modificar demasiado el resultado.

De acuerdo con la física aristotélica, el vino es una bebida más espirituosa que el agua: libera una gran cantidad de vapores. Por lo tanto, los aristotélicos se apresuraron a predecir que, dado que habría mucho más vapor en la parte superior del tubo, la columna de vino debía ser bastante más baja que la de agua. Pascal anunció la fecha y lugar del experimento en 1646 en Rouen e invitó a verlo a todo el que quisiera. Acudieron medio millar de personas, algo extraordinario para la época.

Y la columna de vino midió diez metros.

No contento con eso, Pascal impulsó el experimento realmente esclarecedor, el que convirtió la doctrina Torricelli en la triunfadora y nos llevó por fin a comprender el comportamiento de la presión atmosférica. Digo impulsó y no realizó porque no lo hizo él mismo: escribió una carta a su cuñado, Florin Perier, que vivía cerca del Puy de Dome, una montaña francesa. Pascal pidió a Perier que tomase un artilugio de Torricelli (recipiente, tubo, mercurio, etc.) y realizase el mismo experimento en la base de la montaña, en la cima y en puntos intermedios. Una vez más, el genio de Pascal consistió en diseñar un experimento cuyo resultado desmontase una u otra hipótesis sin lugar a dudas.

Si los aristotélicos tenían razón, la columna de mercurio mediría siempre lo mismo. Si tenía razón Galileo, la columna de mercurio también mediría siempre lo mismo, ya que el vacío era el mismo en la base, en la cima o en cualquier otro sitio, y por tanto su “poder succionador” también. Sin embargo, si tenían razón Torricelli y el propio Pascal, la columna mediría menos según se ascendía la ladera de la montaña, ya que cada vez habría menos aire sobre ella, de modo que el peso de la atmósfera sobre la superficie libre de mercurio sería cada vez menor.

Para sorpresa de casi todo el mundo –no para ti, espero–, la columna de mercurio no sólo descendió según Perier subía por la ladera de la montaña, sino que lo hizo de manera proporcional al ascenso. Pascal había propinado el toque de gracia a la concepción aristotélica del vacío. ¿No merece el bueno de Blaise que los pascales se llamen así en su honor, sin quitar méritos a Torricelli?

Lo que el italiano había construido para sus experimentos fue uno de los primeros barómetros, es decir, instrumentos para medir la presión de la atmósfera. Al usar uno a diferentes altitudes, como hizo el cuñado de Pascal, es posible comprobar la variación de presión con la altitud sobre el nivel del mar. Sin embargo, para asimilar mejor la situación, más que pensar en subir por la ladera de la montaña, es más conveniente utilizar una imagen diferente.

Tú, estimado lector, eres un pez abisal de la atmósfera.

Te encuentras ahora mismo en el fondo de un océano de una profundidad apabullante, muchos kilómetros por debajo de la superficie: muchísimo más profundo que la fosa oceánica más profunda. Para conseguir salir a la superficie (que sería, en este caso, el espacio interplanetario) tendrías que “nadar” hacia arriba una distancia mucho mayor que cualquier pez abisal del océano de agua.

Las diferencias entre ambos océanos (el de agua y el de aire) son fundamentalmente tres. Por una parte, evidentemente, el aire es muchísimo menos denso que el agua. Por otra, el agua tiene una densidad prácticamente constante según te sumerges en el océano, pero el aire no: al ser un gas, su densidad depende mucho de la presión. El aire cerca del suelo, donde estamos nosotros, está comprimido por el peso de todo el aire sobre él, de modo que su densidad (como vimos, alrededor de 1,2 kg/m3) es la más alta de toda la atmósfera, al estar “apretujado” por el aire de capas superiores.

Aunque Perier, el cuñado de Pascal, midió una disminución en la presión proporcional a los metros de ascenso, esto sólo sucede mientras la densidad del aire es uniforme. Si subes lo suficiente, la menor presión supone una menor densidad del aire sobre tu cabeza, de modo que la presión disminuye a su vez más lentamente. Esto significa que, igual que la densidad atmosférica es máxima cerca del suelo por la presión de las capas superiores, lo mismo pasa para su descenso: es más brusco cerca del suelo pero se suaviza según subes.

Variación de la presión con la altitud
Variación de la presión con la altitud (dominio público).

Si comprendes esto, también comprenderás la tercera diferencia con el océano: el agua tiene una superficie bien definida, una separación entre agua y aire. Sin embargo, dado que la densidad disminuye más despacio cuanto más pequeña es, no hay una superficie definida, sino que el aire se va difuminando y volviendo más y más tenue, pero nunca se alcanza un límite claro donde termina la atmósfera. Desde luego, pasado un cierto punto hay tan poco aire a tu alrededor que puedes decir que has abandonado la atmósfera, pero no es fácil decir dónde. Si quieres leer algo más sobre la transición espacio-atmósfera, puedes hacerlo en el tercer artículo dedicado a la Tierra dentro de El Sistema Solar.

El experimento de Berti y Magiotti, más que el del propio Torricelli, sirve para que te hagas una idea de cuánta presión ejerce todo ese aire: el mismo que una columna de agua de unos diez metros de profundidad. Dicho de otro modo, hay la misma diferencia de presión entre la cima de la atmósfera y tu cabeza que la que sentirías si buceas a diez metros de profundidad bajo la superficie de un lago. Si alguna vez has llegado al fondo de una piscina de tres o cuatro metros, serás consciente de que esto no es ninguna tontería – es una presión considerable.

De hecho, con lo que sabes ya puedes calcular cuánta presión es: diez metros de agua suponen una presión de 1000 kg/m3 (la densidad del agua) por 10 m/s2 (la gravedad en la superficie terrestre) por 10 m (la profundidad de la columna de agua), es decir, unos 100 000 Pa (100 kPa). Para poner esto en perspectiva de otro modo, la fuerza sobre la superficie de todo tu cuerpo es equivalente al peso de un coche de una tonelada. ¡Y los aristotélicos decían que el aire no pesa!

Pascales, atmósferas, bares, mmHg y milibares

Por desgracia (en mi opinión, por supuesto), a lo largo de los años han ido proliferando unidades alternativas a la presión, diferentes de los pascales, y por razones históricas seguimos usando un batiburrillo de ellas aún hoy en día. Aunque no me gusten ni un pelo, este bloque y en particular este artículo no estarían completos si no te diera una idea de cuáles son y cuál es su equivalencia con los pascales – dicho esto, si alguna vez utilizas cualquiera de ellas espero que imagines mis ojos desaprobadores mirándote. Sí, mirándote con desaprobación.

Dado que los primeros barómetros fueron de mercurio, à la Torricelli, a veces se mide la presión simplemente como la altura de una columna de mercurio en milímetros: mmHg. Por ejemplo, el italiano midió una altura de unos 76 cm para su columna de mercurio, con lo que usando estas unidades podríamos decir que la presión en ese caso era de 760 milímetros de mercurio, es decir, 760 mmHg. La relación, de hecho, es más o menos esa: 760 mmHg equivalen aproximadamente a 100 kPa.

Puesto que la presión atmosférica en el suelo es un valor importante, también se empezó a utilizar como unidad en sí misma. Así, una atmósfera se definió como la presión atmosférica media en París. Por si tienes curiosidad, se consideró que ese valor es de unos 101 325 Pa.

Sin embargo, dado que ese número es absurdamente difícil de recordar mientras que, al mismo tiempo, es arbitrario, pronto se empezó a utilizar otra unidad de presión que básicamente es la presión atmosférica pero redondeada: 100 000 Pa. A ese valor se le dio el nombre de bar, del griego peso. Dicho de otro modo, un bar no es más que cien kilopascales.

Pero, ¡ah!, dado que las variaciones de presión entre unos lugares y otros, unos días y otros o unas altitudes y otras son mucho más pequeñas que un bar, pronto empezaron a usarse submúltiplos del bar, sobre todo los milibares, la milésima parte de un bar: mbar, que se siguen usando mucho en meteorología, desgraciadamente. Por tanto, un milibar no es más que cien pascales.

Ya que estamos haciendo números, aunque a mayor altitud la cosa varíe por las razones que he explicado antes, cerca del suelo es posible utilizar sin más la fórmula fundamental de la hidrostática para estimar cuánto disminuye la presión según subes: cada metro de aire supone unos 12 Pa (1,2·10·1). Dicho de otro modo, cada ochenta metros disminuyen la presión 1 kPa. Mil pascales pueden parecer mucho, pero claro, esto significa que si estás al nivel del mar y subes ochenta metros la presión pasa de 100 kPa a 99 kPa, es decir, es tan sólo un 1% de variación que no se nota mucho.

Hablando de notar, ¿por qué no notamos esta enorme presión? Como hemos dicho antes, la presión atmosférica equivale a la de irse al fondo de una piscina de 10 metros de profundidad. Sin embargo, como bien comprobaron Torricelli o Pascal, no era evidente en absoluto que la atmósfera pesara sobre nuestras cabezas. ¿Por qué tardamos tanto tiempo en notarla?

La respuesta es que sí vemos signos de la presión atmosférica todo el tiempo pero, como siempre sucede con la presión, sólo se notan las diferencias de presión, no las presiones absolutas. Para entender esto lo mejor es ir a un ejemplo concreto, el ejemplo en el que todos hemos experimentado la diferencia de presión: el del tímpano.

Ahora mismo, según lees estas líneas, tu tímpano está sometido a dos fuerzas encontradas: el aire del interior presiona hacia fuera, y el del exterior presiona sobre el tímpano hacia dentro. Sin embargo, en ambos casos la presión es la misma (depende de donde estés, pero supongamos que 100 kPa). Por lo tanto, tu tímpano no sufre una presión neta hacia ninguno de los dos lados y no notas nada.

Si buceas al fondo de una piscina de 3 metros de profundidad, sin embargo, la cosa cambia. Dentro de ti la presión sigue siendo la misma de antes, pero fuera ha aumentado en unos 30 kPa, luego es ahora de 130 kPa. Por lo tanto, el tímpano sufre una presión neta hacia dentro de 30 kPa que sí notas, y puede llegar incluso a producir dolor. Para compensarla, como seguro que sabes, no hay más que taparse la nariz y expulsar aire desde los pulmones, es decir, aumentar la presión en el interior, de modo que sea de unos 130 kPa dentro y también fuera y no se note la diferencia.

Algo parecido pasa cuando subes lo suficiente en la atmósfera, pero entonces es al revés: la presión fuera disminuye por debajo de 100 kPa, de modo que el tímpano sufre una presión neta hacia fuera. Eso suele doler nada o muy poco, pero el tímpano está tenso y no puede vibrar igual de bien que antes, de modo que los oídos “se taponan”. Naturalmente no están taponados, simplemente “hinchados”, y no hay más que esperar a que, poco a poco, la densidad y presión del aire en tu interior disminuyan hasta igualarse con la de fuera para que desaparezca el efecto.

Sin embargo, utilizas la presión atmosférica muy a menudo sin darte cuenta. No voy a aburrirte con ejemplos, pero sí quiero hablar de tres que son lo suficientemente comunes e interesantes como para detenernos en ellos.

En primer lugar, el aspirador. Un aspirador no funciona porque haya nada dentro de él que “tire” del aire hacia dentro. No, como bien decía Torricelli, las fuerzas de succión son aparentes, pero no reales. Lo que sucede es exactamente lo contrario: un ventilador empuja el aire fuera del aspirador (suele haber una rejilla en el cuerpo principal de la máquina), de modo que el aire del tubo tiene, por un extremo, más aire (el de la habitación a 100 kPa), y por el otro extremo nada, ya que el ventilador ha empujado el aire hacia fuera.

Por lo tanto, la presión atmosférica de la habitación empuja el aire hacia el interior del tubo… donde es empujado de nuevo hacia fuera por el ventilador, con lo que el proceso nunca se detiene. Dicho de otro modo, el ventilador mantiene un diferencial de presión fuera-dentro que asegura el flujo de aire por el tubo. Y, dado que el aire arrastra consigo todas las pequeñas partículas, polvo y demás que hubiese en la habitación, es posible así acumularlas dentro del aspirador y usar la máquina para limpiar.

En segundo lugar, las ventosas. Cuando aprietas una ventosa contra un cristal, por ejemplo, en tu cabeza (o al menos en la mía) lo que sucede es que la fuerza de succión de la ventosa la mantiene pegada al cristal. Pero las fuerzas de succión son realmente fuerzas de empuje. Estoy convencido de que, a estas alturas, tú mismo puedes explicar lo que sucede: al apretar la ventosa obligas a salir al aire que había dentro. Por tanto, la superficie de la ventosa sufre la presión atmosférica hacia dentro, pero ninguna presión hacia fuera –pues hemos extraído el aire–. Es la atmósfera la que empuja la ventosa y la mantiene pegada a la superficie.

Si entiendes esto también comprenderás lo siguiente: cuanto más grande sea la ventosa mayor será la fuerza contra la superficie que la sostiene. Claro, al ser más grande también pesa más, pero un efecto es mucho más intenso que el otro. Una ventosa lo suficientemente grande sería imposible de despegar para una persona. Además, dado que es la presión de fuera la que mantiene la ventosa pegada, las ventosas no se quedan tan bien pegadas en unos lugares u otros – cuanto más subas por una montaña, menos presión sufre la ventosa y menos pegada está.

Finalmente, mi ejemplo favorito: la pajita. Cuando bebes cualquier refresco con una pajita, en tu cabeza –o al menos en la mía– eres tú quien hace subir la bebida por la pajita. Pues no, amigo, no: es la atmósfera quien la hace subir. Lo que tú haces es hinchar tus pulmones, disminuyendo la densidad y la presión en el interior. Por lo tanto, la presión exterior es mayor que la interior y la atmósfera empuja la superficie de la bebida en el vaso hacia abajo, haciéndola subir por la pajita.

Dicho de otro modo: si la pajita tuviera más de 10 metros, por más esfuerzos que hicieras, aunque lograses que la presión en tus pulmones fuera exactamente cero, la bebida nunca jamás alcanzaría tus labios. Y es que no eres tú quien tira de ella hacia arriba, sino la atmósfera la que la empuja desde abajo.

De hecho, la mejor manera de asimilar estos tres ejemplos –y los muchos otros que existen– de la acción de la presión atmosférica es pensar en lo siguiente: ¿qué pasaría en la Luna, donde no hay aire?

En la Luna, una aspiradora no haría absolutamente nada. Las ventosas caerían al suelo por mucho que apretases sobre ellas antes y, lo más anti-intuitivo de todo: la bebida no subiría ni un milímetro por la pajita, por muchos esfuerzos que hicieras. ¿O es que pensabas que eras tú quien la subía?


Variaciones locales de la presión atmosférica

Aunque la parte más interesante de este asunto tiene que ver con los movimientos de masas de aire y, por ahora, estamos restringiéndonos a situaciones de equilibrio, no puedo terminar este capítulo sin hablar muy brevemente de las variaciones locales de la presión atmosférica.

Puesto que el aire es un gas, como vimos al hablar de las diferencias entre fluidos, puede cambiar su densidad –y por lo tanto su presión– por causas diversas. Esto significa que la presión atmosférica en cualquier parte no depende sólo de la altitud, sino también de muchas otras cosas, como la temperatura.

Por ejemplo, si el Sol calienta mucho el suelo en una zona determinada, el aire sobre él también se calienta, expandiéndose y, por tanto, disminuyendo su densidad y su presión. Así, esa zona tiene una presión atmosférica más baja que las circundantes, y más baja que antes – es una zona de bajas presiones o borrasca. Como suele suceder que este aire menos denso asciende, se enfría y –si tiene suficiente humedad– produce nubes y lluvia, las borrascas suelen estar asociadas al mal tiempo. Recuerda, por cierto, que esto es un brevísimo ejemplo y hay otras causas que pueden producir un descenso de la presión además del calentamiento producido por el Sol.

Lo contrario sucede si en una zona determinada la presión es más alta de lo normal: puede ser porque haya llegado allí una masa de aire más frío y denso que antes, por ejemplo. La zona de altas presiones se denomina anticiclón, y dado que el aire está frío y es denso, desciende y se calienta, provocando la evaporación del agua: por eso en los anticiclones no suele haber nubes y suelen asociarse al buen tiempo.

Borrasca y anticiclón
Borrasca (izquierda) y anticiclón (derecha) (dominio público).

Tanto en un caso como en el otro hay, como digo, movimientos de masas de aire, que a su vez tienen peculiaridades curiosas, pero a ellos llegaremos en su momento, cuando hayamos estudiado los fluidos que no están en equilibrio. Por ahora simplemente quería hablar de los dos nombres –anticiclón y borrasca– y del porqué de las asociaciones con el buen o mal tiempo.


Ideas clave

Aunque éste ha sido una especie de “intermedio” sin demasiada presión –ja, ja– sí deberías tener bien claras las siguientes ideas:

  • La presión de la atmósfera al nivel del mar es de unos 100 kPa, el equivalente a diez metros de agua.

  • Normalmente no notamos la presión atmosférica porque sólo percibimos diferencias de presión dentro-fuera, no presiones absolutas.

  • Sí es posible percibir la presión atmosférica en fenómenos como ventosas, aspiradores o pajitas, al crear esas diferencias de presión a propósito.

  • Cuando una región tiene una presión mayor que las que la rodean se denomina anticiclón, y al contrario, borrasca.


Hasta la próxima…

El experimento de hoy es de los que más emoción despiertan en niños y adolescentes –doy fe de ello–. Creo que es por el atractivo de los fenómenos violentos. Deja clarísimo no sólo la existencia de la presión atmosférica, sino también el hecho de que no es moco de pavo.

Experimento 2 - Implosión

Material necesario: Una lata de refresco vacía, un fogón o similar, agua, un recipiente grande, unas pinzas.

Instrucciones: Llena el fondo de la lata de refresco con un poco de agua (un dedo o dos es suficiente). Nuestro objetivo es hacer que el agua hierva, llenando el interior de la lata de vapor de agua que expulsará a su vez el aire que había dentro. Para ello, tomando la lata con unas pinzas para no quemarte, ponla al fuego hasta que esté completamente llena de vapor de agua (cuando lleve hirviendo un minuto o dos será evidente que está llena de vapor).

Mientras, ten preparado junto al fogón un recipiente grande con agua fría, que usaremos para enfriar la lata. Aquí viene la parte “estresante” del experimento: debes poner la lata boca abajo en contacto con el agua fría, como si fueras a volcarla en el agua pero introduciendo parte de la lata dentro para que se enfríe. Hay que hacerlo rápido para que no se enfríe poco a poco por el camino al retirarla del fuego.

Al entrar en contacto con el agua fría y disminuir bruscamente su temperatura, el vapor de agua se condensa y “llueve” dentro de la lata, cae al agua y, como la boca de la lata está bajo el agua porque la lata está boca abajo, dentro de la lata se hace un vacío bastante razonable (porque no puede entrar aire por ninguna parte). Este vacío repentino hace que el aire de fuera… bueno, mejor lo ves tú mismo. Si es con niños cerca, mejor: no volverán a decirte que el aire no pesa.

14 comentarios

De: Mmonchi
2013-03-07 21:47:27

Entretenido y ameno, como siempre.

Mi hijo de once años entendió perfectamente la presión a la vuelta de una excursión a Sierra Nevada: la botella de agua, casi vacía, que traíamos en la mochila, al llegar a casa estaba medio aplastada; cuando la abrimos le entró aire y recuperó su forma.


De: Juan Carlos
2013-03-07 22:41:11

Pues a mi me pasa algo parecido al comentario anterior, cuando viajo de Quito (2,850 msnm) hacia Guayaquil (2 msnm) o viceversa.

Siempre me pregunté cómo obtenían tanto mercurio para hacer este tipo de experimentos :)

Saludos


De: Brigo
2013-03-08 01:41:12

También es un ejemplo interesante intentar chupar por una pajita de un recipiente cerrado, o ver lo que le cuesta salir el líquido por un pequeño agujero de un recipiente hasta que le haces un segundo agujero.


De: Mecánica de fluidos I: Presión atmosférica
2013-03-08 09:33:54

[...] "CRITEO-300x250", 300, 250); 1 meneos   Mecánica de fluidos I: Presión atmosférica eltamiz.com/2013/03/07/mecanica-de-fluidos-i-presion-atmo...  por fisico hace [...]


De: Luis
2013-03-08 13:17:52

Enhorabuena por el artículo... lo que aprende uno.

No puedo dejar de citar la famosa frase de Pascal: "El hombre es una caña agitada por el viento... Pero es una caña que piensa".


De: Diego P sebastian
2013-03-08 19:26:14

Entretenido e interesantisimo, para variar, Pedro ;)

Esta noche haré el experimento propuesto al final en casa, a ver que sorpresa se llevan todos!

Un saludo.


De: Argus
2013-03-11 11:40:37

Aun erróneo el concepto del horror vacui, me pregunto si no tendrá algo de cierto. De hecho, según creo, aún no se ha conseguido un vacío absoluto. El vacío creado en el tubo por encima de los 10 metros en el experimento de Torricelli, al fin y al cabo contendrá vapor de agua porque a menor presión sobre la superficie, mayor cantidad de moléculas escaparían en forma de gas. Si el proceso es brusco, el agua incluso herviría a temperatura ambiente y en el equilibrio se conseguiría un "vacío húmedo" donde la evaporación se igualaría a la licuefacción.

Y entrando en terreno ya de la filosofía, no puedo concebir de qué forma al vacío le puede suceder "algo", como por ejemplo la variación de campo electromagnético para que la luz se pueda propagar por él. Digo yo, humildemente, que "no estará tan vacío".


De: J
2013-03-12 12:34:00

Hola,

llevaba meses esperando un artículo como este, a ver si tus ejemplos del tímpano o el aspirador ayudaban a entender alguno de los comentarios de mi artículo sobre la navegación (http://eltamiz.com/elcedazo/2011/06/09/fisica-extrana-6-navegar-contra-el-viento/).


De: IdeoFunk
2013-03-18 15:56:41

Y ahora voy yo, "y lo casco". Por mi trabajo, uso habitualmente Vacuums. A ver como le digo yo a mis compañeros ahora cuando vuelva a las 3 que es l atmósfera la que empuja el plástico contra el molde y no la succión del vacío! Jaja.


De: Marcelo
2013-03-21 17:19:13

Pedro, fuiste muy conservador con las unidades, faltaron el Torr (honor a Torricelli, kg/cm2, lb/in2 (o psi), claro había que explicar la diferencia entre kg masa y kg peso, pero existen!!!! aquí va un resumen de equivalencias:
1 [Bar] = 1 [atm] = 760 [mmHg] = 76 [cmHg] = 105 [Pa] = 14.7 [psi] = 1 [kg/cm2]

Yo también te apoyo, hay que tender al sistema SI.


De: Sibann
2013-04-09 03:44:31

Muy buen articulo, como siempre!

En este video (en inglés) hacen el experimento de absorber liquido con un sorbete o pajita, a ver cuantos metro se alcanza.


De: Sibann
2013-04-09 03:45:15

Olvidé el enlace...
http://www.youtube.com/watch?v=HUmZrtiXDik


De: Regon
2013-05-30 15:09:04

Fantaástico post, como siempre. Lo de la pajita, realmente curioso, quien lo iba a pensar!


De: Ignacio
2013-06-11 13:53:55

Genial como siempre :)

Lo que no me ha quedado claro es porque en un anticiclón al descender el aire frío se calienta.

Saludos


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