La aguja flotante
Objetivo
  • Estudiar algunos conceptos de la física como la tensión superficial
  • Realizar una experiencia de física recreativa con un final sorprendente para el que no sabe física pero perfectamente explicable por las leyes de la misma.
  • Conseguir que una aguja de acero flote en el agua.
  • Experimentar con con imanes.
Introducción
¿Te has preguntado alguna vez porqué el agua forma gotas en lugar de esparcirse por todos los sitios? La respuesta a esta pregunta es la existencia de la Tensión Superficial. Vamos a experimentar con ella con otra experiencia muy sencilla haciendo flotar una aguja en el agua.
Materiales
Productos
  • Recipiente.
  • Espátula o palillos de madera.
  • Papel de filtro.
  • Aguja de coser de acero o clip.
  • Agua
Realización práctica
  • 1.- En un recipiente con agua posaremos un trocito de papel de filtro y sobre él la aguja.
  • 2.- Una vez que éste descansa en la “cama” de papel, iremos hundiendo el papel de filtro empujándolo –hacia abajo y con cuidado- con ayuda de una espátula.
  • 3.- Cuando consigamos que el papel se moje totalmente y se separe, la aguja permanecerá flotando en el agua, pese a que su densidad es casi ocho veces mayor.
  • 4.- Mirando con cuidado se puede ver la “piel” estirándose bajo el peso de la aguja.
  • 5.- Intentar mover la aguja con un imán.
  • 6.- La experiencia puede resultar más vistosa si la aguja ha sido previamente imantada: en la superficie del agua se comportará como una brújula y se moverá libremente hasta indicarnos los puntos cardinales.
Intentando hacer flotar una aguja en agua
Precauciones
  • Tenemos que cuidar que el extremo de la aguja no “pinche” la superficie del agua, ya que irremediablemente la aguja se nos iría al fondo del recipiente obedeciendo los dictados de Arquímedes.
Explicación científica

¿Por qué flota el clip o la aguja?

  • Las moléculas en el interior de un líquido están rodeadas por todos los lados de otras moléculas, pero en la superficie del líquido esto no es así ya que no hay moléculas por encima de las que se encuentran en la superficie.
  • Así, si se desplaza ligeramente una molécula superficial, los enlaces moleculares con el resto de moléculas se alargan, de manera que se produce una fuerza restauradora que tensa la molécula de nuevo hacia la superficie.
Aguja flotando
  • Estas fuerzas son las causantes que en nuestro experimento el clip o la aguja no se hunda dentro del agua. La fuerza restauradora que se ejerce por unidad de longitud se llama coeficiente de tensión superficial, y para el caso del agua vale 0.073 N/m. En el espacio (en ausencia de la fuerza de la gravedad) la forma de las gotas es esférica, ya que la esfera es la forma geométrica que puede contener mayor volumen con una superficie más pequeña (así se consigue gastar el mínimo posible en energía superficial). En la tierra las gotas no son esféricas sino que tienen forma de pera. Esto es debido al efecto de la fuerza gravitatoria.
Curiosidades y otras cosas
  • La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.
  • La tensión superficial explica por qué los insectos pueden caminar sobre el agua, por qué el rocío forma pequeñas gotas redondas sobre la tela de una araña y por qué el agua sola no puede "mojar" los platos engrasadosy por qué la condensación sobre una lata de bebida realmente fría.
  • Algunos animalilos pueden caminar sobre el agua. Los zapateros de agua se pasean por la superficie del agua como si estuvieran caminando por ella. Por alguna razón sus pies no son mojados por el agua, formando ondas esféricas al andar que mantienen a flote a cada uno de ellos. Se puede comprobar que el peso de la araña es el mismo que el peso de la superficie de agua de estas ondas. Por tanto la tensión superficial generada con la creación de estas ondas es la que soporta el peso y mantiene a flote a dichos animales.
  • Las gotas son esféricas en ausencia de la fuerza de la gravedad. la tensión superficial hace que las gotas de agua tomen forma esférica. En el centro de la gota, las moléculas son atraídas con la misma intensidad en todas direcciones por aquellas que las rodean. En la superficie, no hay moléculas arriba que las atraigan, por lo que solo sufren la atracción interior. Esta fuerza interior hace que la gota tome una forma que presenta la menor área superficial posible: una esfera
  • Podemos formar burbujas sumergiendo un círculo de alambre o plástico en una mezcla de detergente, glicerina y agua. La tensión superficial hace que se forme una capa de agua jabonosa en el círculo. Si soplamos la capa, vemos que se estira hasta formar burbujas esféricas. La glicerina espesa la solución para que las burbujas no exploten tan fácilmente.
  • La tensión superficial es la razón por la que las cerdas de un pincel se adhieren cuando lo sacamos del agua. También es por esto por lo que la superficie del agua se arquea hacia arriba en un "menisco" cuando llenamos un vaso con cuidado hasta al borde.
  • El basilisco o lagarto Jesús es un pequeño lagarto (unos 90 g de masa media) que vive en las pluviselvas de Costa Rica. Cuando se ve en peligro es capaz de corretear por las charcas. Un estudio de su movimiento no es sencillo, sin embargo el análisis de filmaciones de diferentes ejemplares, tomadas a cámara rápida, permite una explicación bastante coherente del fenómeno. Primero conviene reparar en la anatomía del animalito. Es pentadáctilo, como sus congéneres; sin embargo, sus pies posteriores son desproporcionadamente grandes y además poseen flecos desplegables en su alrededor que posiblemente intervienen en su carrera por el agua, al aumentar la superficie y el perímetro de contacto. El lagarto inicia su carrera con un palmetazo sobre la superficie del agua. Al golpear el agua se crea por reacción un empuje ascensional que significa del orden del 25% del apoyo que un lagarto adulto necesita para mantenerse sobre el agua. A continuación empieza la “remada”, que se produce porque con el impacto el pie crea una burbuja de aire que se introduce en la masa superficial del agua desplazando su moléculas -mecanismo en que interviene la tensión superficial del agua- y acelerándolas, lo que provoca nuevas fuerzas de reacción que además se complementan con la diferencia de presiones hidrostáticas entre la masa de agua situada debajo del pie y del aire de la burbuja. En conjunto, el adulto obtiene más o menos un 110% de la fuerza necesaria para mantenerse sobre el agua. Las crías, que rondan los 2 g de masa, consiguen casi el 225%, por ello, mientras que los adultos solo recurren al “paseo”sobre el agua en situaciones decididamente comprometidas, los pequeños utilizan este modo de locomoción casi habitualmente. Volviendo a la mecánica del lagarto, si la burbuja de aire se cierra sobre el pie, este perdería todo su poder de sustentación, por lo cual el animalito tiene que ser suficientemente ágil como para sacarlo antes de que eso ocurra. Así, lo que hace es plegar el fleco del que se habló al principio, cerrar los dedos y extraer el pie a través de la burbuja, siempre antes de que esta se cierre. Por tanto, en ningún instante “se moja” el pie del animal, aunque, sobre todo en los adultos, las filmaciones dan la sensación de que el animal hunde sus pies en el agua. Realmente, hunden una burbuja de aire. Es curioso que solo este animal, entre los vertebrados, sea capaz de desplazarse en este mundo intermedio ente aire y agua.
  • Algunas aves palmípedas también tienen una carrera de despegue “sobre la superficie”, pero el mecanismo físico es algo diferente.
  • Un ser humano que pretendiera emular al basilisco debería correr sobre las aguas a unos 30 m/s, lo que significaría un consumo energético 1500% mayor que el que la musculatura humana puede desarrollar de forma sostenida.
Bibliografía

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