VACÍO
Se
puede clavar un alfiler en un trozo de madera pero no se puede introducir
el dedo aunque se haga más fuerza. ¿Por qué? La diferencia en los dos
casos es el área, la punta del alfiler tiene un área menor.
En muchas ocasiones no sólo es importante considerar la fuerza que se
ejerce sobre los cuerpos sino la superficie sobre la que se ejerce. Una
fuerza que actúa sobre un área menor ejerce una mayor “presión”. La
presión es la fuerza por unidad de superficie.
Presión
= fuerza (en newton)/superficie (m2). La unidad se llama Pascal
Un elefante que pesa 40000 N (4000 kg) se mantiene sobre una pata con un
área de 1000 cm2 (1/10 m2). La presión que ejerce
es:
P
= 40000/1/10 = 40000 N/m2
¿Cuál
es la presión que ejerce una mujer de 400 N (40 kg) sobre un tacón de
aguja de área 1cm2 (1/10000
m2)?
P
= 400 /1/10000 = 4000000 N/m2
Resulta
10 veces mayor que la presión que ejerce el elefante
Materiales
Vasos de papel
Procedimiento
- Una persona se sube sobre un vaso
de papel que queda chafado.
- Colocamos los vasos en filas y
columnas y colocamos sobre ellos una tabla ¿qué ocurre si nos subimos
encima? ¿podríamos repetir la experiencia con clavos como hacen los
faquires?
Los fluidos también ejercen
presión sobre la superficie de los objetos que se encuentran en su
interior y por supuesto también
la ejerce el aire. La presión aumenta con la profundidad. Un buzo que se
sumerge a grandes profundidades necesita un traje especial mientras
que un submarinista que bucea cerca de la superficie no lo necesita. Los
batíscafos, construidos para investigar los fondos submarinos deben tener
paredes muy gruesas para poder soportar las grandes presiones ¿qué presión
está experimentando el Prestige?
Experimento
2: LA PRESIÓN DEPENDE DE LA PROFUNDIDAD
Los líquidos ejercen presión sobre
toda superficie que se encuentre sumergida en ellos y esta depende de la
profundidad. Se llama presión hidrostática.
Materiales
Botella grande con agujeros a
distinto nivel, un recipiente
para recoger el agua
Procedimiento
-
Se ha
construido un dispositivo formado la botella grande que contiene agua
y tiene agujeros a distinto nivel y que se han tapado con
plastilina. Se descubren los
agujeros y el agua sale por ellos con una presión que depende de la
profundidad.
Vivimos,
como los buzos en el agua, sumergidos en un océano de aire. La gran
profundidad a la que estamos hace, que aunque la densidad del aire es
mucho menor que la del agua, la presión sea enorme.
Al
nivel del mar la presión del aire es aproximadamente 760 mm de Hg (1,013
10 5 Pa), 1 atmósfera. Con un cálculo aproximado la fuerza
sobre un metro cuadrado es
F
= pS = 10000 Pa. 1m2 = 10000 N
Sobre
una mesa para comer de un metro cuadrado la fuerza es de 100000 N (el peso
de 100 personas), o diez coches sobre una superficie de 1m2,
también a 100 personas muy gruesas o 200 delgadas. Las cosas no se chafan
con esta enorme presión porque la presión está actuando por todos los
lados.
Experimento
3: UNA TARJETA QUE SE SUJETA
SOLA
(Experimento que se puede
hacer en casa)
Llena un tubo de ensayo completamente
de agua y coloca un trozo de tarjeta y coloca un trozo de tarjeta en la
parte de arriba. Sujeta la tarjeta mientras inviertes el tubo de ensayo
sujetando la tarjeta con los dedos.
¿Si fuéramos utilizando
tubos de ensayo cada vez más largos la presión atmosférica sujetaría
hasta 10 m de agua pero no más?
Las ventosas quedan pegadas a
la pared por la presión atmosférica y gracias a la presión atmosférica
se puede beber con una paja un
refresco.
Se
trata de vaciar un recipiente con un tubo de goma. Se coloca este tubo en
un matraz de agua sobre una mesa. Nada sucederá hasta que llenemos el
tubo con agua chupando en el extremo inferior.
Experimento
5: UN HUEVO EN UNA BOTELLA
Se echa un papel ardiendo en una
botella de cuello ancho y sobre la boca se coloca un huevo cocido. El
huevo se ve engullido por la diferencia de presiones entre el interior
y el exterior de la botella.
La
posibilidad de existencia del vacío fue negada firmemente por Aristóteles
en su Física, y se mantuvo
sin discusión hasta la mitad del siglo XVII. Aristóteles y su prestigio
dieron lugar al pleno acuerdo,
en la edad media, de la teoría de que la naturaleza “aborrece al vacío”.
La teoría del rechazo al vacío, que afirma que la naturaleza evita la
producción del vacío a cualquier coste, fue utilizada para explicar
diferentes fenómenos, como el funcionamiento de la bomba y el sifón: el
movimiento hacia arriba del
agua en este dispositivo fue de hecho interpretada como una acción que
realiza la naturaleza para evitar un vacío después de la succión.
El
final de la teoría de horror vacui –es uno de los grandes méritos de
un discípulo de Galileo, Evangelista Torricelli que realizó un
experimento, muy simple, realizado en Florencia en primavera de 1664.
Torricelli llenó un tubo de vidrio, abierto por un extremo, con mercurio.
A continuación cerrando el extremo abierto con un dedo, giro el
tubo de arriba abajo y lo bajo en un recipiente que contenía
mercurio. Observó que la columna de mercurio sólo descendía
parcialmente, parando a una altura de 76 cm. Torricelli creía que el
espacio creado por el descenso de mercurio en el tubo estaba vacío y que
lo que mantenía a la columna de mercurio en el recipiente. En una carta a
Michelangelo Ricci, el 11 de Junio de 16444, Torricelli declaró que este
experimento probaba dos conceptos fundamentales: la naturaleza no aborrece
el vacío y el aire tiene peso. Los resultados del experimento de mercurio
abrió un período de transformaciones revolucionarias y dio un aire
fresco a una doctrina que había sido válida durante siglos.
Otto
von Guericke completó, alrededor de 1655, una bomba que podía extraer el
aire. Con este nuevo instrumento, von Guericke fue capaz de realizar, en
Magdeburgo, en 1657, un experimento espectacular con la ayuda de un gran número
de sus conciudadanos. Demostró que la presión del aire mantenía unidas
dos semiesferas en las que se había un
vacío creado por una bomba neumática, con tal fuerza necesitaba dos
tiros de caballos para separarlos. Von Guericke entendió que el peso del
aire era una fuerza que se podía utilizar, para elevar pesos, por
ejemplo. Inició así una línea de investigación que llevó a la máquina
de vapor de James Watt
(1736-1819).
Experimento
6: HEMISFERIOS DE MAGDEBURGO
Materiales
Hemisferios de Magdeburgo, bomba de
vacío
Procedimiento
-
Se
conecta la bomba de vacío a la válvula de los hemisferios de Magdeburgo
que se mantienen unidos. Se cierra la válvula y las dos semiesferas no se
pueden separar.
Experimento
7: QUITANDO EL AIRE
Al eliminar el aire pueden ocurrir
cosas curiosas
Materiales
Lata de refresco, globos, plastilina,
botes de plástico de películas de 35 mm, Erlenmeyer de 250 ml, Crema de
afeitar, Campana y base para el vacío, Bomba de vacío
Procedimiento
-
Se conecta el tubo de la bomba de vacío a la lata de refresco y se sella con plastilina. Se pone en marcha y la lata se chafa debía a la presión atmosférica.
-
Se introduce un globo prácticamente deshinchado en la campana y con la bomba de vacío se extrae el aire. El globo va hinchándose paulatinamente. Al disminuir la presión un globo inicialmente poco hinchado empieza a aumentar de volumen.
-
El Erlenmeyer se llena parcialmente con crema de afeitar y se coloca en la campana.
Se pone en marcha la bomba de vacío
y muy lentamente al principio, la crema de afeitar empieza a crecer en
forma de serpiente. La serpiente crece lentamente hasta que un minuto y
medio después la serpiente ha alcanzado su máximo tamaño. La estructura
química de la crema de afeitar es tal que hay muchos bolsas de aire
atrapadas por las moléculas. Antes de conectar la bomba de vacío la
presión dentro de la crema de jabón es igual a la presión alrededor.
Cuando se conecta la bomba y aparece una diferencia de presión la fuerza
en el interior es mayor que en el exterior y la crema se expande.
- Se colocan los botes de plástico
en la campana de vacío. Sus tapas se han cerrado cuidadosamente.
Se pone en marcha la bomba de vacío
y muy pronto las tapas de los botes de película empiezan a volar muy
violentamente. Después de un minuto todas las tapas de los botes han
volado y estos han caído.
La presión en los botes de las películas
antes de conectar la bomba de vacío iguala a la presión en el exterior.
Al conectar la bomba de vacío se extrae el aire del interior de la
campana y disminuye la presión en los alrededores de los botes. En el
interior de los botes no ha cambiado. Cuando la diferencia entre las
fuerzas correspondientes es suficiente las tapas saltan.
La
ebullición es el proceso de vaporización en todo el volumen del líquido.
El líquido se evapora haciendo aumentar la temperatura interior del
recipiente hasta que se estabiliza. Si el recipiente está abierto la
presión de vapor coincide con la presión exterior. Así la temperatura
de ebullición coincide con la presión exterior. A la presión de una atmósfera
el agua hierve cuando la temperatura es de 100º. Disminuyendo la presión
exterior, podemos conseguir que el agua hierva a una temperatura inferior.
Si la presión aumenta la temperatura de ebullición también aumenta.
Por esta razón el
agua que hierve en la cima de una montaña lo hace a una temperatura
inferior a 100 ºC donde la presión es más baja y cuesta menos cocer a
los alimentos. En la olla a presión la presión es más grande que la
presión atmosférica, el agua hierve a una temperatura superior a 100 ºC
y los alimentos se cocinan antes. En el espacio si no estamos protegidos:
hierve la sangre...
Experimento
8: CUANDO HIERVE LA SANGRE
Materiales
Bomba de vacío, plataforma y
campana, dispositivo para calentar, recipiente, termómetro
Procedimiento
- Se introduce el termómetro en el
recipiente de agua.
- Se introduce en la campana el
recipiente y se conecta la bomba de vacío. Puede observarse que la
temperatura hierve a una temperatura bastante inferior a 100 ºC.
Se levanta la campana y se calienta
de nuevo el recipiente. Ahora hierve a una temperatura próxima a 100º
6.
LA CAÍDA
LIBRE
Galileo fue el primero en afirmar que los cuerpos, independiente del material con el que estuvieran hechos, peso y volumen, caían a la misma velocidad. Las pruebas experimentales mostraban, por otro lado, que los cuerpos pesados alcanzaban el suelo antes que los ligeros.
La
leyenda dice que Galileo Galilei (1564-1642) realizó este experimento
tirando dos balas de cañón, una diez veces más pesada que la otra,
desde la Torre Inclinada de Pisa. La leyenda es casi seguramente falsa,
aunque fue conocido por haber realizado experimentos semejantes en su
juventud, siempre obteniendo el resultado contrario, que atribuyó al
hecho de que la altura no era suficiente. Sus argumentos unieron varios
experimentos mentales tales como
el de si dos objetos idénticos conectados caerán a la misma velocidad
que si lo hicieron separadamente, más que experimentos reales. Sin
embargo, realizó muchos experimentos que actualizaron la física aristotélica
y prepararon el camino a Newton en su desarrollo de las leyes del
movimiento. El 2 de Agosto de 1971, el astronauta David Scott repitió el
experimento con un martillo de geólogo y una pluma de halcón cuando
estaba de pie en la superficie sin aire de la luna mientras todo el mundo
miraba la televisión.
Experimento
9: ¿QUÉ CAE ANTES?
En un tubo en el que se ha evacuado
el aire, se observa que los objetos caen a la misma velocidad
independientemente del tamaño, forma y masa.
Materiales
Tubo cilíndrico con un extremo
movible y válvula para la bomba de vacío (tubo de Newton), pelota de
goma, trozo de poliestireno. Bomba de vacío
Procedimiento
- Se colocan los dos objetos en el
tubo a la presión atmosférica y rápidamente invierte el tubo,
obteniendo el resultado esperado. El tubo se evacua entonces y la
demostración se repite. Las dos caerán a la misma velocidad cuando el
tubo se evacua.