Actividad: Qué es capilaridad?

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1 Qué es capilaridad? Nivel: 3º medio Subsector: Ciencias físicas Unidad temática: Ver video Capilaridad Actividad: Qué es capilaridad? Los fluidos son un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente. Consideraremos a los líquidos y a los gases un fluido. Podemos considerar que algunos fluidos mojan ciertas superficies mientras que otros fluidos no mojan otras superficies. Por ejemplo: Cuando llueve y se mojan los vidrios de las ventanas. Cómo está el agua en el vidrio? El vidrio está mojado? Cómo sabemos que el vidrio está mojado? Si observamos esta situación, veremos que el agua sobre una superficie de vidrio se agrupa en pequeñas gotas. Veremos también (en ciertas ocasiones) que existe una película muy delgada de agua sobre esta superficie. Supongamos ahora que bajo la lluvia hay un trozo de tela mojándose. Por ejemplo una camiseta de algodón. Cómo está el agua en la tela? Cómo sabemos que la tela está mojada? En este caso, vemos que el agua se impregna en la tela. En otras palabras el agua se hace parte de la tela y por eso sabemos que está mojada. A qué se debe esto? Si el agua se hace parte de la tela o se impregna en ella, debiésemos pensar que quizás existen interacciones entre el agua y la tela que no existen entre el agua y el vidrio. Justamente a esto se debe que el agua moje ciertas superficies y otras no. Imaginemos ahora que vamos caminando bajo la lluvia con una prenda de vestir que alcanza a tener contacto con el piso mojado. Por ejemplo, pantalones de vestir. Qué ocurre con la parte inferior de los pantalones al cabo de 10 ó 15 minutos de caminar bajo la lluvia? Veremos que se mojan. El agua comienza a subir por los pantalones. Por qué ocurre este fenómeno? Este fenómeno se denomina capilaridad, y se debe a que existen interacciones favorables entre el líquido o fluido y el material en el que se encuentra que permite que se distribuya. Existen materiales y fluidos que interaccionan entre sí y, por lo tanto, no podemos ver capilaridad. Por ejemplo, observa el siguiente dibujo: 1

2 Nivel: 3º medio Subsector: Ciencias físicas Unidad temática: Ver video Pascal Actividad: Qué es un fluido? Normalmente, hablamos de tres estados de la material: gas, líquido y sólido. Un fluido está formado por una serie de moléculas dispuestas aleatoreamente que permanecen unidas por las fuerzas de cohesión que existen entre moléculas. Sin embargo, esta fuerza de cohesión sólo permite que se encuentren unidos y no que adopten una forma propia como los sólidos. Los fluidos siempre adquieren la forma del recipiente que los contiene. Los fluidos se deforman continuamente en el tiempo ante la aplicación de una fuerza que se aplica en forma tangencial a ellos, sin importar la magnitud de ésta. Ahora podemos dividir los estados de la materia en dos: sólidos y fluidos. Los sólidos tienen una forma y un volumen definido debido a que las fuerzas de cohesión entre sus moléculas es muy grande, en cambio los fluidos tienen menor fuerza de cohesión haciendo que no tenga ni forma ni volumen definido, lo que los transforma en un estado deformable. Los fluidos, a su vez tienen dos estados: líquidos y gases. Las moléculas en el estado líquido se encuentran un poco más separadas que en el estado gaseoso, esto hace que los líquidos sean incompresibles, mientras que los gases sean compresibles. Los líquidos, ejercen presión? Todos los cuerpos ejercen una fuerza hacia abajo, y los líquidos (así como los gases) no son la excepción. La presión se define como la fuerza que existe por unidad de área. Es decir: F P = A Las unidades de medición para la presión debiesen ser, en SI: N 2, que m corresponde a 1 Pascal. 1 Pa = N 2 m Por qué un buzo o un submarino están sometidos a mayor presión mientras mayor sea la profundidad a que se encuentren? La presión que ejerce un líquido en el fondo del recipiente que lo contiene depende o no de la forma de este? De qué factores depende? Un líquido ejerce presión sobre el fondo del recipiente que lo contiene. Si ponemos tan sólo una gota de líquido en un recipiente, esta ejercerá una fuerza sobre una determinada superficie (presión) equivalente a 1 gota de líquido. Si, ahora ponemos 1L de líquido en un recipiente, también ejercerá una presión, pero ahora equivalente a 1L de líquido. 1

3 Entonces un buzo submarino que se encuentra a 10 m de profundidad estará sometido a la presión de los 10 m de agua que existen sobre él, más la presión atmosférica que existe a nivel del mar. Consideremos entonces, un líquido de densidad D que se encuentra en un recipiente cilíndrico alcanzando una altura h. La fuerza que aplica el líquido en el fondo del recipiente debe ser igual a su peso; mg. m La densidad es la masa por unidad de volumen, es decir: D =, por lo V tanto la masa estará dada por: m = DV, y el volumen del cilindro (recipiente será): V cilindro = A h. Si reemplazamos en la expresión de la presión: F peso mg DVg D( A h) ) g P = = = = = = Dgh, obtenemos que la presión A A A A A depende de la densidad, aceleración de gravedad y la altura del recipiente. No depende de la forma del recipiente, ni de la superficie del fondo, ni del volumen de líquido. La presión de un líquido se ejerce sólo sobre el fondo del recipiente? Supongamos que tenemos un recipiente de plástico como una botella y dentro de ella hay 2 litros de bebida. Qué ocurre si le hacemos un orificio a uno de los lados de la botella? Veremos que la bebida escapa por ese agujero. Por qué? El, indica la presión de un líquido contenido en un recipiente cerrado se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del mismo y a las paredes del recipiente que lo contiene. Por lo tanto, cualquier cambio en la presión aplicada al líquido se transmite de la misma forma a todos los puntos del mismo, sin que esta presión disminuya. Dónde podemos observar este fenómeno? Supongamos que tenemos la misma botella de plástico, y en ella hay 2 litros de bebida lo que la hace estar llena. Supongamos ahora, que conectamos a la botella una manguera que agrega más bebida a nuestro recipiente. Qué ocurrirá con la botella? Después de unos minutos, observaremos que la botella reventará debido a la presión que el líquido ejerce en las paredes de la botella. Por lo tanto la presión ejercida por la bebida que entra a la botella es igual para todos los puntos de la botella, y por eso la botella completa revienta al superar su capacidad. 2

4 El invento de la prensa hidráulica fue una de las aplicaciones del Principio de Pascal, que, en pocas palabras, se utiliza como un multiplicador de fuerzas. Ya sabemos que la presión de un líquido contenido en un recipiente es igual en todos los puntos del líquido. Entonces: P1 = P2 F1 F2 = A1 A2 Mirando las expresiones, qué ocurre si modificamos las áreas de paso del líquido? Supongamos que tenemos líquido cuya fuerza es igual a 5 N (peso), que se ejercen sobre una superficie igual a 0,5 m 2. Si modificamos el área de paso desde los 0,5 m 2 hasta 1 m 2, qué ocurrirá con la fuerza ejercida por el líquido? F1 F2 = A1 A2 5 N F2 = 2 2 0,5 m 1 m 5 1 F2 = 0,5 F = 10N 2 La fuerza que ejerce el fluido ahora es de 10 N, el doble de la fuerza que ejercía inicialmente. Esto se logró sólo con aumentar el área de paso desde 0,5 m 2 hasta 1 m 2. Actividades I. Para comprender mejor el principio de Pascal, observa el video Pascal. Presta atención a los siguientes momentos: - El físico indica de qué trata la actividad que se muestra en el video. - El físico indica los materiales que utilizarán durante la actividad. - Se construye el aparato que permitirá realizar la actividad. - Lo que ocurre con el niño ubicado sobre el aparato construido durante la actividad. - El físico explica el fenómeno ocurrido durante la actividad. - El físico indica que construyó una máquina multiplicadora de fuerza. II. Responde las siguientes preguntas relacionadas al video que acabas de ver. 1. Cómo es el área de paso del fluido hacia la bolsa (manguera) comparada con el área en que se encuentra el fluido, (bolsa)? 3

5 2. Qué ocurre con el niño que se encuentra sobre la bolsa, cuando esta se empieza a llenar? 3. Cómo es la fuerza ejercida por el fluido cuando entra a la bolsa comparada con la fuerza ejercida por el fluido dentro de la bolsa? 4. Observa el siguiente esquema. Indica en forma cualitativa: - La magnitud de la fuerzas 1 y 2 (F 1 y F 2 ). - La dirección y sentido del fluido. - La magnitud de las superficies 1 y 2. (S 1 y S 2 ) F 2 III. Ahora observa la animación vinculada a esta actividad Principio de Pascal. Observa qué ocurre en la animación. En ella se ilustra cómo se ejerce una fuerza, F que hace que el camión se mueva hacia arriba. 4

6 1. Qué ocurrió en la animación? Intenta describir cómo y por qué ocurre el fenómeno ilustrado en la animación. IV. Por último, observa la presentación de diapositivas digitales (en Power Point), Construyendo una prensa hidráulica. Te permitirá comprender mejor estos conceptos. 5

7 Qué es capilaridad? Observa que en la imagen de la izquierda, el agua moja al vidrio y, por lo tanto, hay fuerzas de atracción entre el agua y el vidrio. La imagen de la derecha, el mercurio (Hg), no moja el vidrio lo que nos indica que hay fuerzas de repulsión entre el vidrio y el mercurio. Puedes visualizar este fenómeno si introduces una bombilla de plástico dentro de un vaso de bebida. Verás que la bebida se introduce dentro de la bombilla hasta que llega aproximadamente a la misma altura que el resto de la bebida en el vaso. Pensemos ahora sólo en fluidos que mojan ciertas superficies. Ya sabemos que el fluido ascenderá por la superficie por las fuerzas de atracción que hay entre ellos. Pero, hasta dónde subirá? Ascenderá hasta que llegue al límite del capilar? Qué lo detiene? Actividades I. Para descubrir cómo es que ocurre este fenómeno, observa el video Capilaridad, disponible en el portal educarchile. Fíjate en los siguientes momentos mientras ves el video: - El físico indica de qué trata la actividad de este video. - El físico indica los materiales que utilizará en la actividad. - El físico introduce los tres capilares dentro del recipiente con alcohol. - Una vez que fueron introducidos dentro del recipiente, observa cada capilar. - El físico indica a qué se debe lo que observaste en los tres capilares al introducirlos al recipiente con alcohol. Ve el video más de una vez si es que lo consideras necesario. II. Responde las siguientes preguntas acerca del video que acabas de ver. 1. Qué ocurrió cuando el físico introduce los tres capilares dentro del recipiente con alcohol? 2. Los tres capilares son iguales? Explica. 2

8 Qué es capilaridad? 3. En qué capilar el fluido alcanza mayor altura? Ya viste que el alcohol tiene fuerzas de atracción con los tres capilares, y por eso asciende por ellos. Pero, te fijaste que por el capilar más pequeño la altura que alcanza el alcohol es mayor? Por qué ocurrirá esto? Existirá otra fuerza que permita que ascienda más el alcohol y que actúe sólo en el capilar de menor diámetro? O bien, Existirá alguna fuerza que no permita que ascienda más el alcohol y que además sólo actúe en los capilares de mayor diámetro? Pensemos en la diferencia que existe entre los tres capilares. Ya sabemos que son de diferentes tamaños y, por lo tanto, cada uno tiene un diámetro distinto haciendo que cada uno tenga superficies de contacto diferentes disponibles al fluido, en este caso alcohol. Existirá alguna fuerza que actúa sobre los capilares? La misma fuerza que actúa sobre todas las cosas y cuerpos. La presión atmosférica. Recordemos que la presión es fuerza por unidad de superficie. La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera y sus componentes sobre la Tierra. Por lo tanto, en qué capilar se sentirá más presión atmosférica? En el más grande y con mayor área (superficie) disponible? o en el más pequeño y con menor superficie disponible? Efectivamente, es la presión atmosférica que impide que el alcohol siga subiendo por el capilar más ancho debido a que ejerce mayor fuerza sobre él. En cambio, en el capilar más delgado hay menor superficie disponible, y con eso la fuerza ejercida sobre el es menor haciendo que el líquido ascienda por el capilar sin que esta fuerza se lo impida. 3

9 Qué es capilaridad? III. Observa la siguiente imagen. Corresponde a un barómetro de mercurio. Un barómetro mide la presión atmosférica mediante un fluido, que en este caso es mercurio. Observa que uno de los lados de este tubo está abierto y por lo tanto expuesto a la presión atmosférica. Cómo funciona? Este tubo es graduado, y lo que hace es medir cuanto asciende por capilaridad el mercurio que contiene el tubo. Como ya sabemos, la presión que ejerce la atmósfera determinará la altura que asciende un fluido dentro de un capilar. 1. De estos tres barómetros que ves a continuación, cuál indica mayor presión atmosférica? Puedes obtener mayor información sobre cómo funcionan los barómetros en el portal educarchile, en otros medios en Internet, en textos escolares o bien en una biblioteca. 4