Botella con agua y aceite, ¿qué sucede? |
Una arriba, otra debajo y no se mezclan
El aceite es menos denso que el agua y no se mezcla con ella, eso lo mantiene siempre por encima de ella, ya sea en reposo o girando.
Al girar, la fuerza centrífuga hace que la superficie aceite-aire se curve como lo hacía la de agua-aire en la botella que no tiene aceite. Esperaríamos que la superficie agua-aceite se curve de la misma manera pues tanto el aceite como el agua giran con la botella. Sin embargo esto sólo sucede después de un rato de iniciado el movimiento.
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Si se hace la prueba con una botella de
refresco como en la figura, la superficie agua-aceite siempre es cóncava hacia arriba.
¿Cuál es la diferencia con la botella de arriba? Nota la diferencia en el fondo. Esta botella no tiene fondo plano. ¿Cómo influye eso en el movimiento del agua? |
¿Qué pone en movimiento a los líquidos?
Los líquidos están en contacto con la superficie interior de la botella. Cuando la botella inicia el movimiento, el líquido que está en contacto con ella se mueve también pero el líquido que está más adentro aún no se mueve, ese iniciará su movimiento por acción del líquido que ya se mueve.
Qué tan rápidamente sea puesto todo el líquido en movimiento depende de una propiedad llamada viscosidad. Un líquido muy viscoso alcanza la velocidad de rotación de la botella más rápidamente que uno menos viscoso. El aceite es más viscoso que el agua, estará girando antes que el agua. Hay una velocidad relativa entre aceite y agua.
Pero en la botella que no tiene el fondo plano, el agua es empujada por la superficie irregular del fondo y es puesta en movimiento casi al parejo del aceite . Las velocidades del agua y del aceite son prácticamente iguales desde el inicio, no hay velocidad relativa entre las sustancias.
La presión, la profundidad y el movimiento relativo.
Para entender mejor lo que sucede en la botella de fondo plano podemos imaginar un caso hipotético en el que uno de los líquidos no gira y otro sí lo hace. Al haber un movimiento relativo entre ellos, la presión no es igual a la que hay cuando no hay movimiento relativo.
La presión depende de la profundidad y de la velocidad relativa. Si la velocidad relativa aumenta, la presión debida al movimiento relativo disminuye. Toda la superficie que divide las sustancias está siempre a la misma presión, y al disminuir la presión debida al movimiento, la profundidad aumenta de manera que la presión total se mantiene constante. Así es que las regiones de la superficie que quedan a mayor profundidad son las que tienen mayor velocidad relativa entre las sustancias.
La superficie en la que hay diferentes velocidades relativas se curva de manera que la región más alta es la de menor velocidad relativa. Así la superficie cóncava hacia abajo tiene la menor velocidad relativa en la región central.
Podemos observar eso con el agua girando y el aceite en reposo: ponemos la botella de fondo irregular a girar rápidamente hasta que ambas superficies estén casi iguales (cóncavas hacia arriba). Detenemos bruscamente la botella, con eso hacemos que el aceite se detenga y el agua siga girando. La superficie agua-aceite queda con concavidad hacia abajo.
En la figura la superficie de aceite-aire está plana, el aceite ha dejado de girar. Pero la otra superficie ha cambiado su concavidad, el agua aún persiste en su movimiento.
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