INFORME Nº 1 “TENSIÓN SUPERFICIAL”

Tensión superficial, condición existente en la superficie libre de un líquido, semejante a las propiedades de una membrana elástica bajo tensión. La tensión es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una atracción no compensada hacia el interior del líquido sobre las moléculas individuales de la superficie; esto se refleja en la considerable curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente. Concretamente, la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra. -

La tendencia de cualquier superficie líquida es hacerse lo más reducida posible como resultado de esta tensión, como ocurre con el mercurio, que forma una bola casi redonda cuando se deposita una cantidad pequeña sobre una superficie horizontal. La forma casi perfectamente esférica de una burbuja de jabón, que se debe a la distribución de la tensión sobre la delgada película de jabón, es otro ejemplo de esta fuerza. La tensión superficial es suficiente para sostener una aguja colocada horizontalmente sobre el agua. Véase también Capilaridad.

La tensión superficial es importante en condiciones de ingravidez; en los vuelos espaciales, los líquidos no pueden guardarse en recipientes abiertos porque ascienden por las paredes de los recipientes.

Tensión superficial.

En el bien conocido experimento en que se demuestra que el acero puede flotar, se coloca cuidadosamente una aguja o una hoja de afeitar sobre la superficie del agua contenida en un vaso. Este experimento es una excelente demostración de la propiedad de los fluidos conocida como tensión superficial. Se sabe que la superficie libre de fluidos está sometida a un estado de esfuerzo, de manera que si por ella se trazase una línea imaginaria, existiría una fuerza de cada lado de la línea.

La magnitud de esta fuerza puede medirse por la fuerza necesaria para elevar de la superficie del líquido un anillo de alambre, como se ilustra en la fig. 1. Si S es la tensión superficial del líquido a ambos lados del alambre, como se muestra en la figura 1, la fuerza total F, requerida para levantar el alambre, será:

F =  D * 2S

En donde D es el diámetro del anillo. Por consiguiente, la tensión superficial S estará dada por:

S = F / 2 D

Fig. 1

DISPOSITIVO EMPLEADO PARA MEDIR TENSIÓN SUPERFICIAL

La tensión superficial de un líquido e función únicamente de la temperatura, si la superficie está expuesta ya sea aire o su propio vapor. La tensión superficial de varios líquidos depende de la substancia en contacto con el líquido. Por ejemplo, la tensión superficial del mercurio, en contacto con el aire, es de 0.482 Kg/m; pero disminuye a 0.402 Kg/m, aproximadamente, cuando el mercurio está en contacto con el agua. Se ha medido la tensión superficial en diferente líquido, en contacto con otros líquidos o con su propio vapor ó el aire. El fenómeno de la tensión superficial hace que los líquidos en contacto con sólidos formen cierto ángulo con la superficie, como se muestra en la figura 2, al que se denomina ángulo de contacto.

Ángulos de contacto de un líquido con la superficie: a) ángulo de contacto > 90°, el líquido no moja la superficie. B) ángulo de contacto <90°, el líquido moja la superficie.

EFECTOS DE LA SUPERFICIE

Anteriormente hicimos una pequeña reseña de la tensión superficial.

En la mayoría de los problemas de hidrostática, su efecto puede considerarse insignificante; pero existen otros en los que la tensión superficial tiene un papel predominante. En esta sección, analizaremos dos de ellos: la formación de burbujas y la capilaridad, para ilustra los métodos para analizar los problemas de tensión superficial en general. Pacientemente, se le ha dado especial atención a la formación y el desarrollo de burbuja, debido al fenómeno de ebullición en campos gravitacionales nulos que se han encintrado en vuelos espaciales.

El tamaño de una gota y una burbuja.

Una gota de líquido en el aire tendrá una forma esférica si no sufre los efectos de resistencia producidos por el movimiento. El mecanismo que mantiene unida a la gota y le da forma esférica es a la tensión superficial. Como es de esperar, la tensión superficial tiende a hacer que la presión del líquido dentro de la gota sea mayor que la del aire que la rodea. Es fácil determinar la relación que

existe entre la presión interna de la gota y la tensión superficial. En la fig. 3, se muestra la mitad de una gota esférica, así como las fuerzas que actúan sobre ella. La tensión superficial actúa a lo largo de la periferia del área circular A, u origina una fuerza dirigida hacia la izquierda, es decir:

Ft.s. = S * 2R

fig. 3

FUERZAS EJERCIDAS SOBRE UNA GOTA

La presión ejercida en la superficie A es igual a la presión interna, P, de la gota y la fuerza de presión en A es PR². La fuerza ejercida en dirección horizontal es Pa * proyección de S = Pa * R². El equilibrio de las fuerzas conduce a la ecuación:

PR² = PaR² + S1.g. * 2R

Por lo tanto:

P - Pa = 2 S1.g. / R

fig. 4 fuerzas que actúan en una burbuja

Otro ejemplo interesante de los efectos de la tensión superficial son las burbujas de jabón, cuyas caras, la interna y la extrema, están en contacto con el aire. En la fig. 4 se muestra la sección hemisférica de una burbuja. Las fuerzas que actúan sobre el hemisferio son las mismas que las de una gota, sólo que, ahora, la fuerza de la tensión superficial es 2 * S1.g. * 2R, debido a que se trata de dos superficies. Pro lo tanto, la ecuación de la diferencia de presiones es:

P - Pa = 4S1.g. / R = (burbuja del jabón)

fig. 4

ASCENSO DE UN LÍQUIDO EN UN TUBO

Capilaridad.

El fenómeno de ascenso o descenso de un líquido en un tubo capilar recibe el nombre de capilaridad, que ya se mencionó. . Veamos la columna de un líquido como el agua, que asciende por un tubo capilar. En la fig. 5 se ilustra un caso típico. La superficie del líquido forma un ángulo con las paredes del tubo que, como se dijo en el primer capítulo, recibe el nombre de ángulo de contacto. La fuerza de tensión superficial ejercida sobre el líquido tiene una dirección y, por consiguiente, la resultante vertical de dicha fuerza es:

Ft.s., vert = 2R * S1.g. * cos

Esta fuerza queda contrarrestada por el peso del fluido, que puede determinarse de:

PgR²h

De donde:

PgR²h = 2R* S1.g. * cos

Despejando, tenemos:

H = 2S1.g. cos / pgR

SEGÚN LO DESARROLLADO EL SIGUIENTE EXPERIMENTO :

LA AGUJA FLOTANTE

INTRODUCCIÓN

¿Te has preguntado alguna vez porqué el agua forma gotas en lugar de esparcirse por todos los sitios? La respuesta a esta pregunta es la existencia de la Tensión Superficial. Vamos a experimentar con ella con otra experiencia muy sencilla haciendo flotar una aguja en el agua.

OBJETIVO

Estudiar algunos conceptos de la física como la tensión superficial Realizar una experiencia de física recreativa con un final sorprendente

para el que no sabe física pero perfectamente explicable por las leyes de la misma.

Conseguir que una aguja de acero flote en el agua.

MATERIALES

Recipiente. Espátula o palillos de madera. Papel de filtro. Aguja de coser de acero o clip.

PRODUCTOS

Agua

REALIZACIÓN PRÁCTICA

1.- En un recipiente con agua posaremos una aguja.

2.- soltar con cuidado hasta que quede horizontalmente sobre el agua.

3.- una vez k la aguja queda horizontalmente observar con cuidado para que la no se sumerja en dicho recipiente.

Intentando hacer flotar una aguja en agua

PRECAUCIONES

Tenemos que cuidar que el extremo de la aguja no “pinche” la superficie del agua, ya que irremediablemente la aguja se nos iría al fondo del recipiente obedeciendo los dictados de Arquímedes.

EXPLICACIÓN CIENTÍFICA

¿Por qué flota el clip o la aguja?

Las moléculas en el interior de un líquido están rodeadas por todos los lados de otras moléculas, pero en la superficie del líquido esto no es así ya que no hay moléculas por encima de las que se encuentran en la superficie.

Así, si se desplaza ligeramente una molécula superficial, los enlaces moleculares con el resto de moléculas se alargan, de manera que se produce una fuerza restauradora que tensa la molécula de nuevo hacia la superficie.

Estas fuerzas son las causantes que en nuestro experimento el clip o la aguja no se hunda dentro del agua. La fuerza restauradora que se ejerce por unidad de longitud se llama coeficiente de tensión superficial, y para el caso del agua vale 0.073 N/m. En el espacio (en ausencia de la fuerza de la gravedad) la forma de las gotas es esférica, ya que la esfera es la forma geométrica que puede contener mayor volumen con una superficie más pequeña (así se consigue gastar el mínimo posible en energía superficial). En la tierra las gotas no son esféricas sino que tienen forma de pera. Esto es debido al efecto de la fuerza gravitatoria.

Aguja flotando

ANOTACIONES

La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.

La tensión superficial explica por qué los insectos pueden caminar sobre el agua, por qué el rocío forma pequeñas gotas redondas sobre la tela de una araña y por qué el agua sola no puede "mojar" los platos engrasados por qué la condensación sobre una lata de bebida realmente fría.

Algunos animalillos pueden caminar sobre el agua. Los zapateros de agua se pasean por la superficie del agua como si estuvieran caminando por ella. Por alguna razón sus pies no son mojados por el agua, formando ondas esféricas al andar que mantienen a flote a cada uno de ellos. Se puede comprobar que el peso de la araña es el mismo que el peso de la superficie de agua de estas ondas. Por tanto la tensión superficial generada con la creación de estas ondas es la que soporta el peso y mantiene a flote a dichos animales.

Las gotas son esféricas en ausencia de la fuerza de la gravedad. la tensión superficial hace que las gotas de agua tomen forma esférica. En el centro de la gota, las moléculas son atraídas con la misma intensidad en todas direcciones por aquellas que las rodean. En la superficie, no hay moléculas arriba que las atraigan, por lo que solo sufren la atracción interior. Esta fuerza interior hace que la gota tome una forma que presenta la menor área superficial posible: una esfera

Podemos formar burbujas sumergiendo un círculo de alambre o plástico en una mezcla de detergente, glicerina y agua. La tensión superficial hace que se forme una capa de agua jabonosa en el círculo. Si soplamos la capa, vemos que se estira hasta formar burbujas esféricas. La glicerina espesa la solución para que las burbujas no exploten tan fácilmente.

La tensión superficial es la razón por la que las cerdas de un pincel se adhieren cuando lo sacamos del agua. También es por esto por lo que la superficie del agua se arquea hacia arriba en un "menisco" cuando llenamos un vaso con cuidado hasta al borde.

El basilisco o lagarto Jesús es un pequeño lagarto (unos 90 g de masa media) que vive en las pluviselvas de Costa Rica. Cuando se ve en peligro es capaz de corretear por las charcas. Un estudio de su movimiento no es sencillo, sin embargo el análisis de filmaciones de diferentes ejemplares, tomadas a cámara rápida, permite una explicación bastante coherente del fenómeno. Primero conviene reparar en la anatomía del animalito. Es pentadáctilo, como sus congéneres; sin embargo, sus pies posteriores son desproporcionadamente grandes y además poseen flecos desplegables en su alrededor que posiblemente intervienen en su carrera por el agua, al aumentar la superficie y el perímetro de contacto. El lagarto inicia su carrera

con un palmetazo sobre la superficie del agua. Al golpear el agua se crea por reacción un empuje ascensional que significa del orden del 25% del apoyo que un lagarto adulto necesita para mantenerse sobre el agua. A continuación empieza la “remada”, que se produce porque con el impacto el pie crea una burbuja de aire que se introduce en la masa superficial del agua desplazando su moléculas -mecanismo en que interviene la tensión superficial del agua- y acelerándolas, lo que provoca nuevas fuerzas de reacción que además se complementan con la diferencia de presiones hidrostáticas entre la masa de agua situada debajo del pie y del aire de la burbuja. En conjunto, el adulto obtiene más o menos un 110% de la fuerza necesaria para mantenerse sobre el agua. Las crías, que rondan los 2 g de masa, consiguen casi el 225%, por ello, mientras que los adultos solo recurren al “paseo”sobre el agua en situaciones decididamente comprometidas, los pequeños utilizan este modo de locomoción casi habitualmente. Volviendo a la mecánica del lagarto, si la burbuja de aire se cierra sobre el pie, este perdería todo su poder de sustentación, por lo cual el animalito tiene que ser suficientemente ágil como para sacarlo antes de que eso ocurra. Así, lo que hace es plegar el fleco del que se habló al principio, cerrar los dedos y extraer el pie a través de la burbuja, siempre antes de que esta se cierre. Por tanto, en ningún instante “se moja” el pie del animal, aunque, sobre todo en los adultos, las filmaciones dan la sensación de que el animal hunde sus pies en el agua. Realmente, hunden una burbuja de aire. Es curioso que solo este animal, entre los vertebrados, sea capaz de desplazarse en este mundo intermedio ente aire y agua.

Algunas aves palmípedas también tienen una carrera de despegue “sobre la superficie”, pero el mecanismo físico es algo diferente.

Un ser humano que pretendiera emular al basilisco debería correr sobre las aguas a unos 30 m/s, lo que significaría un consumo energético 1500% mayor que el que la musculatura humana puede desarrollar de forma sostenida.

BIBLIOGRAFÍA

Castellan, Gilbert W., Fisicoquímica, Ed. Pearson, pág. 433, tema 18, "Fenómenos superficiales".