Aigua en caiguda lliure

Tardes d’estiu, tardes de migdiada… però també tardes d’experimentació amb aigua. Aquest experiment cal fer-lo al jardí o a la terrassa perquè de ben segur que acabaràs una mica remullat i fent un gran mullader al terra.

Si agafem una ampolla, un vas o qualsevol recipient que tingui un forat a la part baixa i l’omplim d’aigua podem veure com surt un rajolí que descriu una paràbola perfecta talment com si llencéssim una bola horitzontalment: moviment uniforme horitzontal combinat amb un moviment vertical amb acceleració constant (a = g = -9,8 m/s2).

De fet la velocitat de sortida és deguda a la pressió hidrostàtica (P = d·g·h, on d és la densitat del líquid, g la gravetat i h l’alçada de líquid fins la superfície) i, per tant, podem dir que aquesta pressió és deguda al pes del líquid. Podem comprovar que, efectivament, quan més alt és el nivell de l’aigua més gran és la velocitat amb que surt l’aigua (podeu comprovar-ho amb l’experiència d’aquest blog Pressió parabòlica).

Observem en el vídeo que si l’ampolla està hermèticament tancada aleshores el líquid no surt perquè la diferència de pressions entre el forat i la superfície equilibra exactament la pressió hidrostàtica: hi ha un buit parcial degut a una baixada imperceptible de la superfície.

Què passa però si deixem caure (lliurement) el recipient? Doncs que el líquid deixa de sortir mentre està caient perquè tot plegat, l’aigua i l’ampolla, està en caiguda lliure, és a dir, en estat d’ingravidesa i per tant el seu pes aparent és zero o, aparentment, la gravetat també és nul·la. Sabem però que ni el pes ni la gravetat són nuls en aquestes condicions sinó que justament són les responsables de la caiguda del conjunt (justament amb una acceleració de -9,8 m/s2).

Això és el mateix que els passa als astronautes dins de l’Estació Espacial Internacional (ISS), sembla que estan en un lloc on no actua la gravetat però això és degut a que estan en caiguda constant cap a la Terra… sense arribar-hi mai degut a la seva trajectòria circular (o lleugerament el·líptica).

Apa, anem posar-nos el banyador i remullar-nos una mica…

Pressió parabòlica

A la piscina o al mar segur que ens hem submergit a més o menys profunditat a sota aigua i hem comprovat que la pressió hidrostàtica  augmenta clarament amb la fondària. Quan fem una immersió de seguida notem la pressió a la oïda (fins arribar a fer-nos mal) o que les ulleres d’anar a sota aigua se’ns claven més i més a la cara.

Amb un experiment molt senzill podem comprovar que la pressió hidrostàtica augmenta amb la fondària i, a més, ho podem visualitzar. Cal disposar d’una ampolla de plàstic i realitzar un seguit de petits forats (controlant que el diàmetre es mantingui) a diferents alçades, després omplim l’ampolla amb aigua i observem…

Veurem que els raigs d’aigua que surten realitzen trajectòries parabòliques, amb curvatures sensiblement diferents entre elles, degudes a la velocitat de sortida de l’aigua de l’ampolla que correspon (teòricament) a la velocitat de caiguda lliure d’un objecte des de la superfície fins al forat (v = √(2·g·h)) i que alhora és conseqüència de la pressió hidrostàtica que és directament proporcional a la fondària (P = Po + d·g·h).

Amb una anàlisi fotogràfica acurada de la imatge de l’ampolla i dels raigs que surten podem comprovar que efectivament la velocitat de sortida és proporcional a l’arrel quadrada de la fondària… per això ens calen però coneixements de física i matemàtiques (a nivell de batxillerat) i tenir present que les marques a l’ampolla estan espaiades un centímetre entre elles. Us hi atreviu?

Una bona llauna

Les llaunes de begudes refrescants, cerveses… cal reciclar-les i abans de llençar-les al contenidor és millor aixafar-les perquè ocupin menys espai. Ara us proposo una manera de fer-ho amb l’ajuda de la pressió atmosfèrica que, encara que no la notem, pot arribar a fer molta força.

Aquesta experiència és una variant d’alguns experiments molt coneguts: com fer entrar un ou dur dins d’una ampolla, com aixafar una llauna d’oli de motor de cotxe (tot i que ara costa molt trobar-ne)…

En aquest cas utilitzem materials molt a l’abast: una llauna buida de beguda refrescant, una mica d’aigua, unes pinces de cuina i l’aigüera de la mateixa cuina plena d’aigua. Omplirem la llauna amb una mica d’aigua i la posarem sobre els fogons o la vitroceràmica fins que l’aigua bulli, la deixem una estona fins que el vapor d’aigua hagi desplaçat tot l’aire de l’interior de la llauna. Amb les pinces (alerta a no cremar-nos) agafem la llauna i la submergim ràpidament i caps per avall en l’aigua de l’aigüera…

Observarem que, quasi instantàniament, la llauna queda totalment rebregada reduint considerablement el seu volum. Expliquem-ho: inicialment l’interior de la llauna està ocupat per vapor d’aigua que es condensa ràpidament en refredar la llauna quan la submergim, d’aquesta manera realitzem un buit parcial dins la llauna i per tant la pressió interior és molt inferior a la pressió atmosfèrica; aquesta diferència de pressions és la responsable d’aixafar espectacularment la llauna.

Així doncs hem comprovat la considerable magnitud de la pressió atmosfèrica normal, recordem que equival a la que realitza una columna d’aigua de més de 10 metres d’altura!

Un parell de globus

En obrir l’aixeta, en quin sentit circularà l’aire?

Si inflem dos globus, un més que l’altre, i els connectem entre ells què pensem que passarà? L’aire circularà de tal manera que tendirà a equilibrar els globus fins que els dos siguin iguals? En la imatge esperaríem que l’aire circulés de dreta a esquerra, això és el que pensaríem en principi de manera lògica.

Però si realitzem l’experiència observem amb sorpresa que passa just el contrari: l’aire del globus més petit passa cap al més gran (d’esquerra cap a la dreta) de manera que el globus taronja s’acaba desinflant i el vermell acaba augmentant la seva mida. Ho podem veure al vídeo del final.

Quina és l’explicació? Doncs hem de tenir en compte que la pressió de l’aire interior no és la pressió atmosfèrica sinó que la que realitza la goma de cada globus i, encara que sembli estrany, la goma del globus menys inflat fa més pressió que la del globus més inflat. Així doncs abans de comunicar els dos globus la pressió dins del globus taronja (petit) és superior a la del globus vermell (el gran) i per tant en comunicar-los entre ells les pressions tendeixen a igualar-se, l’aire flueix del taronja cap al vermell i així en el taronja disminueix la pressió alhora que en el vermell l’augmenta.

Recorda que costa molt més començar a inflar un globus que fer-lo més gran una vegada està inflat: una bona mesura de les diferents pressions que fa la goma en cada situació.

En finalitzar l’experiència (el globus taronja pràcticament desinflat) la pressió a l’interior dels dos globus és la mateixa… encara que la situació sigui realment sorprenent!

Un tap foradat

Una ampolla i un tap… amb una gassa: efecte sorprenent!

Aquesta experiència és molt fàcil de fer i és molt sorprenent… fins que algú t’explica el perquè del fenomen.

Es tracta de disposar d’una ampolla amb tap de plàstic roscat i foradar-lo però mantenint la rosca intacte. Agafem un tall de gassa (o un retall de tela fina tipus mosquitera) i el posem sobre el coll de l’ampolla que rosquem tot seguit. Retallem la gassa que sobresurt pels costats… i ja ho tenim a punt!

Tal com es veu en el vídeo, la gassa deixa entrar i sortir l’aigua tranquil·lament però si la situem verticalment i cap avall (aguantant primer amb el palmell de la mà) aleshores l’aigua, sorprenentment, no cau. Fins i tot podem introduir un escuradents a través de la gassa i podem veure com entra dins l’ampolla i queda surant en la superfície de l’aigua.

L’explicació física d’aquesta experiència (actuació de la pressió atmosfèrica) és, en part, la mateixa que l’experiment, molt conegut, d’un vas ple d’aigua invertit i tapat amb una cartolina. La pressió atmosfèrica que actua per sota (vertical i cap amunt) és suficient per contrarestar la pressió que fa l’aigua juntament amb la pressió interior (buit parcial) de l’aire que ha quedat dins del vas.

En el nostre cas no tenim cartolina però la tensió superficial de l’aigua en cada petit forat de la gassa provoca que la gassa malgrat estar foradada actuï com una única superfície. Si els forats de la gassa fossin més grans la tensió superficial no seria suficient per equilibrar les forces que actuen i l’aigua no quedaria retinguda.

En canvi, quan omplim i buidem l’ampolla molts dels forats no estan tapats per l’aigua de manera que deixen sortir o entrar aire i així la pressió interior i exterior sempre és igual: aleshores l’aigua cau pel seu propi pes.

Bé, ara només cal provar-ho davant del públic (alumnat, família, amics…) tenint molt de compte de no ensenyar el forat tapat amb la gassa fins al final per sorprendre a tothom i fer-los rumiar una miqueta.