Hazañas increíbles: experimentos con agua Teach article

¿Cómo puede el aire sostener el agua en un vaso puesto de cabeza? ¿Por qué el agua no se sale de una botella que tiene un agujero en su base? Encuentra la respuesta al hacer estos divertidos experimentos.

Los niños, desde los más pequeños a los más grandes, disfrutan jugar con el agua. En esta serie de experimentos, aprenderemos acerca de las fuerzas que influyen sobre el comportamiento del agua. Se demostrarán algunos principios científicos básicos con resultados sorprendentes. Todos los experimentos son seguros para llevar a cabo en casa, así como en el colegio y sólo se necesitarán objetos simples como equipo de laboratorio, además de mucha agua.

Experimento 1: El vaso puesto de cabeza

Figura 1: El vaso de agua puesto de cabeza. ¿Por qué el cartón se queda en su lugar?
Imagen cortesía de David Featonby

Muchas personas han intentado alguna versión de este experimento, pero ¿puedes adivinar qué es lo que realmente pasa?

Materiales

  • Un vaso de agua con lados verticales
  • Un pedazo de cartón delgado (que sea suficientemente grande para cubrir la abertura del vaso)

Procedimiento

  1. Agrega agua dentro del vaso hasta que esté casi lleno.
  2. Apoya el pedazo de cartón sobre la parte de arriba del vaso.
  3. Voltea el vaso de cabeza con una mano y mantén el cartón en su lugar con la otra mano.
  4. Quita la mano que sostiene al cartón (figura 1).
  5. Fíjate en lo que pasa. ¿Se cae el cartón y con ella el agua? ¿Sabes por qué no se caen?

Discusión

Sorprendentemente, al poner el vaso de cabeza, el cartón y el agua se quedan en su lugar. ¿Por qué pasa esto?

Vamos a considerar las fuerzas sobre el cartón. Estas son:

  • la gravedad del peso del cartón (que actúa hacia abajo)
  • la gravedad del peso del agua que presiona al cartón (que actúa hacia abajo)
  • la presión del aire, que presiona sobre la superficie externa del vaso y sobre el cartón.  Estas fuerzas actúan en un ángulo de 90̊   con respecto a la superficie del cartón (lo que produce una fuerza sobre el cartón hacia arriba cuando hay agua encima de este).

Por lo que, en este experimento, la fuerza de la presión del aire empuja el cartón hacia arriba cuando este se encuentra en la abertura del vaso y se opone a la fuerza de gravedad, al mismo tiempo que mantiene el agua dentro del vaso.

Extensión: estimación de las fuerzas hacia abajo y hacia arriba

¿Cómo sabemos que la fuerza de la presión del aire que empuja hacia arriba es suficiente para oponerse a la fuerza de gravedad, que empuja hacia abajo y así mantener al agua dentro del vaso? Podemos estimar la magnitud de estas fuerzas fácilmente.

El peso del cartón es mucho menor que el peso del agua por lo que, para simplificar, podemos ignorar peso del cartón. Esto significa que la fuerza gravitacional que empuja hacia abajo sobre el cartón es el peso de la columna de agua.

= h x A x ρ x g

donde h es la altura de la columna de agua, A es el área del corte seccional del vaso, r es la densidad del agua (1 000 kg/m3) y g es la aceleración debido a la gravedad (aproximadamente 10 m/s2).

Entonces, si h es igual a 10 cm (0.1 m) y A es aproximadamente 25 cm(0.0025 m2), la fuerza que empuja hacia abajo es aproximadamente

0.1 x 0.0025  x 1000 x 10 = 2.5 N

Para la fuerza que empuja hacia arriba, esta es la presión atmosférica P, multiplicada por el área sobre la que actúa, A.

La presión atmosférica es aproximadamente 100 000 Pa (pascales o N/m2)

Por lo tanto, la fuerza que empuja hacia arriba sobre el cartón es = P x A

= 100 000 x 0.0025 = 250 N

Entonces, para una columna de agua de 10 cm, la fuerza que empuja hacia arriba debido a la atmósfera sobre el cartón es mucho mayor que la fuerza de gravedad del agua que empuja hacia abajo sobre el cartón.

También debemos reconocer que el aire que se encuentra encima del agua tiene una gran influencia. Si este aire conservara la presión atmosférica, el peso del agua sería suficiente para empujar el cartón fuera de su lugar. Sin embargo, en el momento en el que el agua ejerce presión hacia abajo sobre el cartón, la presión de este aire atrapado se reduce lo suficiente para permitir que la presión atmosférica que empuja hacia arriba sobre el cartón soporte al agua. Un cambio de volumen de 1/100 en este aire es suficiente para equilibrar el agua

Investigaciones más profundas

También puedes considerar las siguientes preguntas y quizá hacer otros experimentos para responderlas:

  • ¿Funciona este experimento cuando el vaso está completamente lleno de agua?
  • ¿Cómo es que la proporción entre el agua y el aire afecta al resultado del experimento?
  • ¿Funcionaría este experimento si el vaso fuera de cualquier otra altura?
  • ¿Se podrían utilizar recipientes de formas diferentes (por ejemplo, botellas)?

Experimento 2: la ‘piel’ invisible del agua

En este experimento, descubrimos como las fuerzas cohesivas dentro del agua actúan como una ‘piel’ invisible que puede mantener al líquido en un vaso volteado al revés, bueno, a veces.

Materiales

  • Vaso de papel
  • Pedazo de tela de nylon delgado (lo suficientemente grande para cubrir la abertura del vaso de papel)
  • Banda elástica
  • Cartón delgado (lo suficientemente grande para cubrir la abertura del vaso de papel)

Procedimiento

  1. Cubre la abertura del vaso de papel con la tela de nylon (figura 2, izquierda).
  2. Jala la tela para que quede estirada y fíjala con la banda elástica (o con pegamento en el borde del vaso).
  3. Agrega agua al vaso a través de la tela, hasta que esté casi lleno.
  4. Coloca el cartón sobre el nylon y la abertura del vaso.
  5. Voltea el vaso de cabeza.
  6. Fíjate en lo que pasa: el agua debería quedarse en el vaso, como en el experimento 1.
  7. Ahora con cuidado, quita el cartón. El agua fluye a través de la tela de nylon? Si no lo hace, ¿por qué pasa esto? El agua se agregó a través de la tela, entonces ¿por qué no se sale otra vez?
  8. Para vaciar el agua, voltea el vaso hacia arriba otra vez rápidamente, después inclina el vaso lentamente mientras presionas el nylon con tu dedo (figura 2, derecha)
Figura 2: a) vaso de papel con la tela de nylon sobre la abertura. b) Vaciando el agua del vaso.
Imagen cortesía de David Featonby

Discusión

La razón por la que el agua no se sale a través de los pequeños agujeros en el nylon, es porque hay fuerzas de cohesión entre las moléculas del agua. Estas fuerzas hacen que la superficie del agua se comporte como una ‘piel’ entre los pequeños agujeros de la tela de nylon. Este efecto se conoce como tensión superficial y es el mismo principio que te mantiene seco debajo de un paraguas hecho de nylon: hay agujeros pequeños en la tela, pero la lluvia no se cuela gracias a las fuerzas cohesivas de la tensión superficial entre las moléculas de agua.

Investigaciones más profundas

Hay una gran variedad de experimentos que puedes hacer sobre tensión superficial y cohesión molecular. Podrías buscar ‘experimentos de tensión superficial’ en internet y ver qué otras actividades encuentras.

Aquí encontrarás otros dos experimentos simples que puedes hacer.

Barco hecho de clips de papel

Necesitas un recipiente con agua limpia y un clip. Engancha el clip a una tira hecha con una toalla de papel y mete el clip al agua. Después, permite que el papel se hunda o lo puedes hundir lentamente con un palillo de dientes. El clip parecerá que flota, pero en realidad lo sostiene la tensión superficial del agua.

¿Qué otra cosa puedes hacer ‘flotar’, como por ejemplo, la argolla de una bebida en lata? ¿Qué le pasa al clip si agregas una gota de detergente liquido al agua? ¿Cómo explicarías lo que observas?

Este efecto también se puede usar para hacer un ‘barco de jabón’.

Chorros de agua unidos

Puedes usar una lata de gaseosa vacía y limpia, un vaso de plástico o una botella de plástico y hacer tres agujeros pequeños cercanos entre sí en la base. Llena la lata con agua y cuando salgan tres chorros, trata de juntarlos con tus dedos. Vas a poder hacerlo gracias a las fuerzas cohesivas que existen entre las moléculas de agua.

Otro experimento divertido que demuestra la cohesión es verter agua sobre un cordón.

Experimento 3: agua embotellada

En estas actividades usaremos una simple botella de agua para revelar algunos de los sorprendentes efectos producidos por la tensión superficial y la gravedad. Es buena idea hacerlos al aire libre porque es muy probable que el agua se derrame (ver figura 3).

Materiales

  • Botella de plástico (250 ml) con tapadera de rosca
  • Una aguja o clavo grandes

Procedimiento

Con ayuda de la aguja o del clavo, haz uno (o varios) agujeros muy pequeños cerca de la base de la botella de plástico. Para hacer los agujeros, calienta la punta (con precaución) hasta que esté lo suficientemente caliente como para derretir el plástico. Si el experimento se hace en el colegio, esta parte deberá hacerla el profesor antes de empezar el experimento por motivos de seguridad.

  1. Para hacerlo más divertido, podrías poner una etiqueta a la botella que diga “No abrir” y ver si los demás la ignoran.
  2. Destapa la botella y llénala con agua rápidamente, manteniendo tu dedo sobre el agujero. Vuelve a cerrarla con la tapadera.
  3. Mantén la botella quieta (o dásela a otra persona) con la tapadera puesta. ¿Qué sucede con el agua?
  4. Si los demás ignoran la advertencia y destapan la botella, ¿qué ocurre?
Figura 3: Una botella de agua con agujeros cerca de la base. ¿Qué sucede si ignoras la advertencia?
Imagen cortesía de David Featonby

Discusión

Una vez que un recipiente se ha sellado, el agua fluirá por el agujero pequeño solamente si se reemplaza con aire o con más agua. Por lo tanto, una botella con un agujero pequeño puede mantener el agua dentro si la tapa está bien cerrada. Una vez que se destapa, el agua comenzará a fluir debido al peso del agua. El agujero debe ser lo suficientemente pequeño como para que las fuerzas superficiales detengan el agua.

Investigaciones más profundas

Hay otro experimento interesante que se puede hacer con una botella llena de agua con un agujero cerca de la base. ¿Qué ocurre cuando avientas la botella y la atrapas?

Si llenas la botella con agua y mantienes la tapa sin enroscar por algunos segundos (figura 4), el agua fluirá a través del agujero.

Figura 4: Al sostener la botella con un agujero en la base, un chorro de agua fluye fuera de esta. .
Imagen cortesía de David Featonby

Ahora arroja la botella al aire (figura 5) y observa con cuidado cuando cae. Pon atención a cada una de las etapas de su trayectoria, cuando va hacia arriba, en el punto más alto del vuelo y cuando va hacia abajo.

Figura 5: Botella llena con agujero arrojada al aire, en caída libre. ¿Por qué no se sale el agua?
Imagen cortesía de David Featonby

Cuando el agua va en caída libre (ósea, cuando va hacia abajo), deja de fluir fuera de la botella. Esto ocurre porque el peso del agua dentro de la botella se vuelve insignificante relativamente a la botella, porque ambos, tanto la botella como su contenido, van en caída libre. Por lo tanto, en esta situación, el peso del agua no hace que fluya fuera de la botella.

Este efecto también se puede demostrar con un tubo hueco lleno de agua (de unos 50 cm de largo, con un diámetro que se pueda cubrir fácilmente con el dedo). La parte baja del tubo se cubre con una mano mientras se arroja al aire, usando la fuerza de la mano para lanzarlo y la otra mano para sostenerlo. Sin embargo, esto puede ser un poco difícil de demostrar porque es esencial que la mano que cubre el extremo del tubo es lo último que suelta al tubo al arrojarlo y lo primero con lo que hace contacto al atraparlo, para evitar la aceleración/desaceleración del tubo sin la columna de agua.

También podrías tratar de responder a estas preguntas finales:

  • ¿Qué le ocurre al agua cuando la botella va hacia arriba al arrojarla? ¿Lo puedes explicar?
  • Si intentas atrapar la botella, ¿qué le pasa al agua? ¿Lo puedes explicar?
  • ¿Qué otra cosa podrías arrojar al aire, en la que haya un cambio cuando va en caída libre, comparado a cuando esta inmóvil? Pista: Piensa en juguetes o dispositivos que funcionan con gravedad. Por ejemplo, donde partículas, partes móviles o líquidos caen a través de una abertura.

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Resources

  1. Featonby D (2017) Fantastic feats. Science in School 39:45–47
  2. Featonby D (2018) Further fantastic feats: falling and bouncingScience in School 43:37–54
  3. Featonby D (2019)Hazañas increíbles: magia con monedas . Science in School 47:46–50

Author(s)

David Featonby fue profesor de física durante su carrera en una escuela integral muy grande del RU. Ahora comparte sus ideas por toda Europa a través de la organización Science on Stage, de la cual es miembro de la mesa directiva, además de ayudar a organizar sus actividades. Ha presentado talleres en varios países europeos y ha escrito artículos para Science in School y para Physics Education, así como también una serie regular llamada What happens next?, en esta última. David tiene un interés particular en hacer que la física sea relevante para todas las edades, a través de experimentos que usan materiales cotidianos.


Review

Este artículo demuestra experimentos simples que son fáciles de reproducir y que usan materiales que se pueden encontrar fácilmente. Esto ayuda a los alumnos a acercarse a temas sobre tensión superficial y presión de los líquidos.
Al resaltar el “lado mágico” de algunos experimentos, el autor los hace más interesantes y adaptables al público en general.
El artículo también ofrece la posibilidad de hacer enlaces interdisciplinarios con temas dentro de la biología, como la respiración pulmonar (y cómo la naturaleza proporciona surfactantes a los alveolos para reducir la tensión superficial), la capilaridad en las plantas o cómo permite la tensión superficial a los insectos caminar sobre la superficie del agua.


Maria Teresa Gallo, profesora de matemáticas y ciencia, Italia




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