El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

[Mecánica de fluidos I] Tensión superficial

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 y tensión superficial
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: la interacción 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:

Tensión superficial 1

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:

Tensión superficial 2

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:

Tensión superficial 3

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 uniones entre 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):

Tensión superficial 4

¿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. Una tensión 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 y tensión superficial
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:

Material hidrófilo
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:

Material neutro
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 °):

Material hidrófobo
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:

Tubos y tensión superficial

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.

Capilaridad
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!

Ciencia, Física, Mecánica de fluidos

12 comentarios

De: MrTrt
2013-07-05 20:07:34

Gran artículo; sin embargo, creo que he detectado un error. En la parte donde hablas de materiales hidrófobos has puesto "que no ejerce la menor atracción sobre las moléculas de aire" ¿No sería de agua?


De: Pedro
2013-07-05 20:23:07

Efectivamente, corregido. ¡Gracias! :)


De: Juan Carlos
2013-07-05 21:06:54

Gran artículo sin duda.

Una consulta, cuando un objeto (cohete, asteroide, etc.) golpea -en cierto ángulo- la parte alta de la atmósfera y decimos que "rebota" ¿puede ser considerado como "tensión superficial de la atmósfera"?

Un par de erratas: "meno", "entendrenos".

Saludos


De: Jose
2013-07-07 12:23:05

¿como podemos explicar el fenómemo de capilaridad en términos de conservación de la energía? ¿a costa de qué se gana esa energía potencial?


De: Luis
2013-07-08 12:43:08

Maravilloso. Enhorabuena!


De: supernene
2013-07-08 17:14:07

¿Qué relación hay entre tensión superficial y viscosidad?


De: Jefe Ryback
2013-07-08 21:38:32

4 Si no he entendido mal, la capilaridad (y la tensión superficial) vienen dadas sobretodo por relaciones de atracción (¿de carga elérctrica?) que intentan minimizar la carga total del sistema. Mientras la carga eléctrica potencial del sistema sea mayor que la energía potencial gravitatoria que gana el líquido por ascender debido a capilaridad... pues seguirá subiendo.

Y si tenemos en cuenta que la gravitatoria es la más débil de todas las fuerzas; pues ahí tienes a las sequoyas, que por capilaridad hacen subir los nutrientes desde las raíces hasta sus copas a más de 100m del suelo. Bueno, de hecho creo he simplificado mucho; creo que también hay un asunto de osmosis forzada para conseguir ese efecto que sacan a base de energía química (unos iones por aquí, unos cationes por allá y quítame tu acá un poco de sal disuelta y tal...).

Pero aún así son muuuuchos metros que habrá subido por capilaridad, aunque sea con ayuda.


De: Francesc
2013-07-09 14:08:34

@3 mmm... no hay un límite superior de la atmosfera, los gases no funcionan así, de hecho Boyle ya demostró que tienden a ocupar todo el espacio disponible, casi como si sus partículas se repelieran. La atmosfera se va haciendo más tenue hasta que "ya no hay". Sin superfície no podemos hablar de tensión superficial.
Cuando un cometa entra en la atmosfera ejerce una presión sobre el gas, que se desplaza y comprime de forma diferencial (me refiero a que es más fácil desplazarlo hacia afuera de la bola de gas, mientras que hacia el centro de la tierra se comprimirá más) y (acción-reacción) ejerce fuerza sobre el cometa, desviándolo. En realidad el cometa no ha rebotado, lo que estaría pasando es que entra y sale de la atmosfera. Imagino que similar a cuando lanzas piedras al lago para hacer la rana (que tampoco es por tensión superficial, esta no es tan fuerte)


De: Argus
2013-07-10 08:41:09

Si el jabón disminuye la tensión superficial del agua, ¿cómo es que consigue hacer pompas estables y relativamente grandes? ¿no es eso indicativo de una mayor tensión superficial?


De: guille
2013-07-17 14:29:38

El gecko pigmeo brasileño se mantiene sobre el agua como el zapatero. Buscad un video, son de lo más divertido (no confundir con el famoso lagarto que corre sobre el agua)


De: Francesc
2013-07-18 14:47:03

Jeje, graciosos los bichos. Aunque en el vídeo que he visto parece que la piel de esos geckos es hidrófoba, lo cual sería un efecto distinto (o que se sumaría) al de la tensión superficial; por eso se les ve entrar y salir del agua.


De: [Mecánica de fluidos I] Viscosidad | El Tamiz
2013-08-24 19:05:39

[...] capítulos, en el último empezamos a desviarnos hacia cosas algo más complicadas hablando de la tensión superficial. Como seguro que recuerdas, la razón de su existencia era algo no considerado por la mecánica [...]


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