Presión y aire

 

Vivimos debajo de un gran océano de aire. Por eso necesitamos hacer un gran esfuerzo para levantar una plancha de goma sobre una mesa. Por la misma razón al eliminar el aire de una lata de refrescos con una bomba de vacío se chafa, dos hemisferios (de Magdeburgo) no se pueden separar, un globo se hincha sin soplar, una pequeña cantidad de espuma de afeitar en un recipiente crece hasta convertirse en una gran serpiente, tapones de recipientes de rollos de fotos saltan por los aires, el agua hierve a la temperatura ambiente y una bola de goma y un trozo de ligero corcho blanco caen al mismo tiempo en un tubo en el que se ha eliminado el aire.

 

El principio de Arquímedes también se aplica al aire como puede observarse en los globos, desde los Montgolfier de aire caliente a los dirigibles de hidrógeno. Un extraño objeto volador que se mueve en el aire haciendo círculos. Los boomerang que después de volar vuelven al mismo punto. Luego el aire en movimiento, el efecto de Bernouilli que hace levitar pelotitas en el aire y permite ganar un  concurso para inflar grandes bolsas. Aviones: planeadores o los que se desplazan con una hélice muestran el movimiento en el aire. Luego los cohetes que no necesitan el aire para volar.

 

 

 

 

 

 

Presión atmosférica

 

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 atmosfera. Con un cálculo aproximado la fuerza sobre un metro cuadrado es

 

F=pS = 10000 Pa. 1m2 = 10000 N

 

Este valor equivale a diez coches sobre una superficie de 1m2, también a 100 personas muy gruesas o 200 delgadas. Las cosas no se chafan si la presión está equilibrado por todos sus lados

 

Experimento 1. PRUEBAS DE LA EXISTENCIA DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

 

  1. la presión atmosférica no deja caer el agua de un vaso
  2. Una regla que sujeta un papel de períodico
  3. Un huevo dentro de una botella

 

Experimento 2. MANTA ATMOSFÉRICA

Procedimiento.

 

- Coloca la manta sobre una mesa con la cabeza del tornillo colocada hacia arriba. Atornilla el gancho en el centro de la manta.

- Haz que la manta se mantenga sobre una superficie plana. Quita las bolsas de aire.

- Al tratar de quitarla de la superficie es casi imposible. La manta parece pegada.

-Se desprende fácilmente si se levanta un borde

 

¿Qué sucede?

 

La manta permanece pegada por la presión atmosférica

 

El barómetro

 

Llena un tubo de ensayo completamente con agua y colocar un trozo de tarjeta en la parte de arriba. Sujeta la tarjeta y dale la vuelta al tubo de ensayo . Quita los dedos de la tarjeta. La presión de la atmósfera puede soportar unos pocos centímetros de agua. Si se utiliza un tubo de ensayo cada vez más largo se encuentra que la presión del aire es lo suficientemente fuerte para mantener aproximadamente 10 m de agua. Si se utiliza un líquido más denso, como el mercurio, se encontró que la altura es menor.

 

Un barómetro de mercurio está constituido por un tubo largo de cristal lleno de mercurio del que se han eliminado todas las burbujas y al que se le da la vuelta en un recipiente de mercurio.

 

La columna de mercurio se mantiene por la presión del aire. Como la presión del aire varía día a día (dependiendo del tiempo), la altura del mercurio varía.

 

Una altura de 760 mm de mercurio es la presión standard

 

Beber en paja

 

¿Qué es lo que hace subir el líquido en la paja?

 

Si la altura del barómetro de agua es 10 metros ¿Cuál es la máxima altura a la que podía succionar el agua?

 

¿Sería más difícil beber en una montaña alta?

 

El sifón

 

Coloca el extremo de un tubo de goma en un vaso de precipitados lleno de agua. Nada ocurrirá hasta que llenes el tubo con agua succionando  en el extremo de más abajo. ¿Qué es lo que fuerza que el agua suba por el tubo?. Una vez que el tubo esté lleno subirá hacia arriba.

 

Haciendo el vacío

 

Otto von Guericke comprobó con más espectacularidad este valor en la experiencia de los hemisferios de Magdeburgo que se reproduce más abajo. 

 

Experimento 3: HEMISFERIOS DE MAGDEBURGO

 

Cuando se unen dos hemisferios y se elimina el aire de su interior no pueden separarse por la presión atmosférica. La gran fuerza que la atmósfera ejerce puede comprobarse con un par de hemisferios de Magdeburgo, llamados así por la ciudad de Magdeburgo en Alemania en la que Otto von Guericke (1602-1686), un físico y político (era alcalde de la ciudad en 1657) realizó un famoso experimento. Sacó el aire de dos hemisferios de cobre de medio metro de diámetro y estos se mantuvieron unidos por la presión atmosférica. Dos grupos de ocho caballos tirando en sentidos opuestos no fueron capaces de separarlos. Cuando el aire entraba en ellos se separaban fácilmente.

 

Otto von Guericke diseñó una de las primeras bombas de vacío en 1641 y fue responsable en gran parte del abandono medieval de que “la naturaleza aborrece el vacío”.

 

Para una demostración más modesta, de la experiencia de Magdeburgo se puede utilizar hemisferios de acero con un diámetro de 12 centímetros. Los hemisferios se unen y el aire se elimina con una bomba de vacío a través de un conector unido a una válvula a un lado de uno de los hemisferios.

 

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 4: 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 debia 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 repite el experimento con un muñeco hecho con marsmallows. Este se hincha.

 

- 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.

 

 

5. La caída libre

 

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, mas 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.

 

Para la mayoría de los objetos, la resistencia del aire destacable altera la velocidad con la que el objeto cae. Para los objetos grandes que se mueven a altas velocidades a través del aire, la fuerza de rozamiento está dada por Fd = C(rho)Av2/2, donde v es la velocidad, A es la sección transversal del objeto medida en un plano perpendicular a su movimiento, rho es la densidad del aire y C es el coeficiente de rozamiento. El coeficiente de rozamiento (drag) es aproximadamente de 0.5 para los objetos esféricos pero puede ser para objetos esféricos tan elevado como 1 para los objetos de forma irregular. Igualando el rozamiento al peso (Fd = mg), la velocidad final calculada es vt = [2mg/C(rho)A]1/2. La fuerza de empuje del aire contribuye a una fuerza adicional hacia arriba sobre el objeto.

 

Experimento 5: ¿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.

 

  1. La ebullición

 

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 100ºC 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 100ºC y los alimentos se cocinan antes. En el espacio si no estamos protegidos: hierve la sangre ...

 

Experimento 6. CUANDO HIERVE LA SANGRE

Se introduce un vaso de precipitados con agua a la temperatura ambiente en la campana de vacío. Se empieza a extraer el aire. Empiezan a verse burbujas y el agua empieza a hervir a la temperatura ambiente.

 

AIRE EN MOVIMIENTO O EL MOVIMIENTO EN EL AIRE

 

Principio de Bernouilli

 

Consideremos un flujo continuo de líquido o gas por un tubo: el volumen que pasa por cualquier sección transversal del tubo aunque el tubo se ensanche o estreche es igual. El fluido aumenta de rápidez cuando pasa de una parte ancha a otra estrecha. El agua de una manguera aumenta de rapidez cuando se oprime el extremo.

 

En el siglo XVIII, Daniel Bernouilli, científico suizo enunció el siguiente principio

 

Donde aumenta la rápidez de un fluido, su presión interna disminuye

 

El principio de Bernouilli se aplica a un flujo uniforme y constante (flujo laminar). Cuando la rapidez es mayor que un valor crítico, el flujo se llama turbulento y describe trayectorias que cambian y enroscan llamadas torbellinos o vórtices

 

Experimento. La bolsa de Bernouilli

Se pide un voluntario para que pruebe su capacidad pulmonar frente al campeón, el profesor de ciencias. El voluntario da uno o dos soplos en la bolsa de Bernouilli donde el aire es atrapado y apretado hacia abajo para medir su volumen. Después que el aire se deja salir, el profesor de ciencias sujeta la bolsa sobre su boca y lo llena con un simple soplido.

 

 

La larga bolsa de plástico ilustra el principio de Bernouilli. Si lo colocamos firmemente en la boca, se necesitan muchos soplidos con los pulmones llenos de aire. Pero si se coloca frente a la boca y soplas, la presión en la corriente que se produce se reduce, atrapando el aire circundante que llena la bolsa. Así que se puede llenar con un simple soplido. El experimento resulta especialmente eficaz si los asistentes cuantos soplidos son necesarios para llenar la bolsa.

Una explicación de por qué los aeroplanos vuelan utilizando el principio de Bernouilli. El ala del aeroplano está curvada hacia abajo de manera que el aire viajando a lo largo del borde superior debe viajar mayor distancia que el aire que viaja a lo largo de la parte de abajo en el mismo tiempo. Esto hace que tenga mayor velocidad, reduciendo por tanto la presión ejercida. La presión bajo el ala ejerce entonces una fuerza mayor en comparación, teniendo el efecto de elevar ‘lifting’ el aeroplano.

Experimento. Pelotas flotando en el aire

 

Colocar la pelota de ping pong en un embudo. La parte de arriba de una botella de plástico hace un buen embudo. Sopla a través del extremo del embudo.
 
La pelota se mantiene en el embudo. El aire es más rápido debajo de la pelota y sobre los lados. La presión más alta por encima de la pelota empuja la pelota hacia el embudo. 

(aquí se hace con una lámpara)