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…

Núvol a l’ampolla

Els núvols no són vapor d’aigua, contràriament al que sol pensar la majoria de gent o que, fins i tot, algun docent explica al seu alumnat.

La formació dels núvols és deguda a la condensació del vapor d’aigua en forma d’aigua líquida (a vegades cristalls de gel) sobre petites partícules sòlides, conegudes com a nuclis de condensació.

Una bona forma de comprovar-ho es fer un núvol dins d’una ampolla de plàstic. Hi aboquem una mica d’aigua calenta, tapem i la barregem una mica perquè l’aire interior quedi bastant saturat d’humitat. Premem fort l’ampolla amb les dues mans (augmentem la pressió) i seguidament i de forma sobtada la deixem anar de manera que la pressió interior disminueix, això provoca un refredament de l’aire… però no observem cap canvi a l’interior.

Ara repetim l’experiència però prèviament llancem dins l’ampolla un llumí just quan l’apaguem i encara fumeja, això aporta a l’aire petitíssimes partícules sòlides, nuclis de condensació, que permeten que el vapor d’aigua es condensi fàcilment i es formi el núvol (gotes d’aigua formades en els nuclis de condensació). A la segona part del vídeo es veu el fenomen, potser amb una mica de dificultat pels reflexes del plàstic.

O sigui que, en temps de canvi climàtic i amb temporades llargues de sequera, ja sabem com provocar núvols amb facilitat.

Nota: Sovint els pagesos llencen a l’aire coets que esclaten i escampen substàncies sòlides (nuclis de condensació) per facilitar la condensació en els núvols perquè plogui i evitar així pedregades que malmeten els conreus.

Obrir una ampolla sense tirabuixó

Dia de Nadal, tot la família reunida, els nens encara estan nerviosos pel que els va cagar el tió, al menjador l’arbre de Nadal llueix com mai, els avis i els pares criden a taula i tot seguit porten la gran (immensa) plata de canelons gratinats mentre algú reclama que s’obri el vi (un vi excepcional per a una diada excepcional)… on és l’obridor? Ospa, fa uns mesos se’ns va trencar i no hem pensat a comprar-ne un de nou, a l’escala els veïns no hi són, tots tenen família fora… els nervis afloren, com ho farem per obrir l’ampolla? Tothom hi diu la seva: amb un ganivet, amb una xeringa, truquem al 012…

No patiu, si disposem d’una sabata… si si, només d’una sabata, estem salvats! Piquem contra una paret o una superfície dura el cul de l’ampolla protegir per la sabata i veurem com mica en mica el tap va sortint fins que finalment podem acabar de treure’l amb la mà… comencem a dinar: bon profit!

Està clar que aquí hi intervé la física però la sabata serveix només per amortir els xocs. L’ampolla colpeja la paret (de fet la sabata) aleshores el vi rebota contra el cul de l’ampolla (acció-reacció) i surt a gran velocitat en direcció al tap. La velocitat del líquid al coll de l’ampolla augmenta degut a l’estrenyiment i la massa de líquid (0,7 kg) xoca a gran velocitat contra el tap amb el següent resultat: el tap es desplaça una mica, tot i la gran fricció que té amb el vidre. Repetim el procés i en cada cicle el tap es desplaça una mica. L’efecte és el mateix de quan un camió xoca per darrera contra un cotxe… aquest últim sortirà empès cap endavant amb molta velocitat.

Bé, doncs ja ho tenim clar, no cal disposar d’obridors sofisticats: una sabata i una paret, així de senzill.

Nota: està clar que el bons enòlegs posaran el crit al cel perquè sacsejar el vi d’aquesta manera de ben segur que li fa perdre les seves qualitats… ho sento era una situació d’emergència!

Segona nota: Agraeixo als membres del Consell de Redacció de la revista Recursos de Física (i especialment a en Jaume Ametlla) el seu ajut per aclarir l’explicació del fenomen.

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?

Quina tensió!

En el vídeo es veu un efecte curiós provocat per la tensió superficial un concepte del que segurament hem sentit a parlar però que és bastant desconegut.

La tensió superficial és una manifestació de les forces intermoleculars a l’interior dels líquids, de fet, la superfície de qualsevol líquid es comporta com si sobre aquesta existís una membrana de tensió i es coneix aquest fenomen com a tensió superficial.

En el nostre cas aquesta tensió realitza una força sobre l’escuradents però per igual en els dos costats (forces vermelles) i per tant l’escuradents està en equilibri. en el moment en que introduïm una mica de sabó a l’aigua el que fem és disminuir la tensió superficial en un costat  i per tant sobre l’escuradents actua més força per un costat (vermell) que per l’altra (blau) i per tant es desplaça en el sentit de la resultat (esquerre, costat contrari a on hem introduït el sabó). Es pot veure esquematitzat en el dibuix del costat.

En afegir sabó la tensió superficial de la dreta disminueix i l’escuradents nota una força global cap a l’esquerra

Nota: l’esquema s’ha simplificat per donar més claredat al fenomen, per ser més precisos caldria dibuixar la força sobre l’escuradents inclinada cap amunt en la direcció de la superfície en contacte i tractar aleshores amb les components horitzontals i verticals de la tensió.

La rotació de l’espiral també està provocada per la disminució de la tensió superficial en el seu interior, la seva forma clarament asimètrica provoca en aquest cas una rotació en comptes d’una translació.

Un dels efectes més conegut de la tensió superficial és el desplaçament curiós dels sabaters per les superfícies dels bassals d’aigua. En la fotografia s’observa perfectament com el sabater enfonsa lleugerament la làmina o membrana de l’aigua deguda a la tensió superficial.

Un sabater caminant per sobre l’aigua gràcies a la tensió superficial

 En un altre article del blog, Un tap foradat,  la tensió superficial també explica un fenomen curiós.