martes, 11 de diciembre de 2012

¿Tienen poderes los insectos para andar sobre el agua?



Esta entrada participa en la Ed.XXXVII del Carnaval de Física cuyo anfitrion es: http://hadimension.blogspot.com.es


Con la llegada del buen tiempo, los chicos salen al campo y además de pasárselo estupendamente, observan multitud de colores, luces y animales. El comportamiento de los animales les llama poderosamente la atención hasta el punto de preguntar: “¿porqué los insectos andan encima del agua?” “¿qué poderes tienen?”.

Después de esto, pues es necesario explicar LA TENSIÓN SUPERFICIAL. Así que hemos preparado un taller divertido sobre tensión superficial para nuestros observadores chicos.

La Tensión superficial es una propiedad de los líquidos que explica fenómenos como:
  • La forma esférica de las gotas de lluvia.         
  • Los insectos son capaces de flotar en la superficie del agua.

Ya conocemos las principales propiedades de los líquidos:
  • adoptan la forma del recipiente que los contiene
  • sus moléculas no dejan de moverse
  • son incompresibles
  • sus moléculas tienden a mantenerse unidas

estas propiedades se deben a que en un fluido cada molécula interacciona con las que le rodean. El radio de acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, y solo abarca a las moléculas vecinas más cercanas.

http://www.cie.unam.mx

En el caso particular del agua, formada por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno, nos encontramos ante una molécula con dos átomos de distinta electronegatividad que dotan a la molécula tetraédrica  de geometría angular y con un ángulo de separación de 104,5º. Es además de naturaleza neutra a pesar de ser un dipolo eléctrico (con una carga positiva en ambos Hidrógenos y una carga negativa doble en el Oxígeno central) esto le permite  acercarse  a otras moléculas de agua ejerciendo atracciones del tipo Fuerzas Intermoleculares, estas son de carácter débil porque no son como un enlace , pero son las más poderosas en su tipo y se llaman  Puentes de hidrógeno

 Veamos un video:

http://quimicalibre.com


Estas fuerzas de cohesión entre moléculas son las causantes de esta propiedad de los líquidos: la tensión superficial. Cada líquido tiene un valor distinto de tensión superficial y será tanto mayor cuanto mayor sean estas fuerzas intermoleculares.

Son precisamente estas fuerzas las que explican porqué los líquidos tratan de minimizar su superficie libre formándose en ella una película con características propias. La superficie contraída es el estado con mínima energía superficial.

Las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia en interior del líquido.

http://www.hablandodeciencia.com

La superficie libre tiende a disminuir la energía libre superficial y hacer el sistema más estable. Esta es la razón por la que las gotas de líquído tienden a adoptar una forma esférica y así cuando salimos del agua el agua que queda en nuestro cuerpo se queda en forma de pequeñas gotas en la superficie de nuestra piel, y cuando vemos las gotas de rocio vemos el agua como pequeñas esferas en la superficie.




Foto de Gabriel Riutort 

En la superficie del agua, estas  fuerzas hacen que el agua se comporte como una goma elástica, soportando e peso de un insecto pequeño, un alfiler, incluso un clip.

http://fluidos.eia.edu.co

Vamos a comprobarlo. Para ello usaremos un cuenco limpio que lo llenaremos de agua y en él dejaremos caer con mucho cuidado pimienta molida, harina, un alfiler o un clip. Veremos que efectivamente flotan en el agua como lo hace el insecto.

Uno de nuestros chicos se sorprende con la harina


Si además en un vaso transparente con agua dejamos caer una gota de aceite, esta quedará en la superficie como una medalla sobre una cama.

Efectivamente nuestros chicos confirman la elasticidad de la superficie del agua.

Ya hemos visto que los insectos no tienen poderes. Pero vamos a ir un poco más lejos.


Hemos dicho que la tensión superficial es distinta según el líquido, esto significa que según el líquido nuestro clip o nuestro mosquito flotará más o menos, pudiéndose incluso hundir sin más.

http://rsta.pucmm.edu.do

Nuestro clip se hundirá en etanol, al añadir jabón al agua o si en vez de agua tenemos aceite.

Pero si nos fijamos un poco más con la temperatura también hay variaciones de la tensión superficial. Lógicamente al calentar las moléculas no están tan juntas y las fuerzas de cohesión son más débiles. Así si repetimos el experimento con agua caliente no conseguiremos que nuestro clip flote.

Veamos ahora que sucede si añadimos una gota de jabón a la pimienta que flota en nuestro cuenco, o al alfiler, o a los polvos de talco.

Al añadir el jabón, algunas de las moléculas de agua no se unirán a otras por puentes de hidrógeno sino que lo harán con la parte polar del detergente o tensoactivo, ello hará reducir esta capacidad en la superficie para  ser tan elástica, así que perderá tensión superficial.

 http://www.sinfin.tv/educar/quimica/html/secuencia.php?id=665

wikipedia

Al dejar caer una gota de detergente en el cuenco donde hay pimienta o talco se producirá como un replegamiento de las partículas de la superficie.  El jabón rompe la tensión superficial del agua y la tensión superficial que le sobra al agua hace que empuje la pimienta lejos del jabón.


Otro de nuestros chicos demostrando la disminución de T.S.

En el caso de la gota de aceite en el vaso de agua, la gota dejará de ser plana, dejará de descansar en la superficie del agua, y adquirirá la forma de una gota redonda porque su tensión superficial es mayor que la del agua con jabón.

antes de la gota de detergente

después de añadir el detergente


Para ver algo un poco más espectacular vamos a coger un hilo fino de alambre de unos 3 cm y lo vamos a enrollar en forma de espirar. Lo dejaremos caer con cuidado en el agua y flotará, pero al dejar caer una gota de detergente en el centro de la espirar esta comenzará a dar vueltas y se hundirá. ¿Sorprendente? Pues prueba con esto: Corta de cartulina una flecha como la de la imagen y frota una de sus caras con la cera de una vela, para impermeabilizar el papel. Dejar caer con cuidado la flecha en el agua por la parte impermeabilizada. A continuación dejar caer una gota el canal cerca de la punta de la flecha. ¿Qué sucede? ¡!La flecha corre!!!


La flecha comienza a correr

La espiral va a girar

En ambos casos el detergente disminuye la tensión superficial, las moléculas se desplazan (recuerda lo visto con la pimienta) por el principio de acción y reacción y la flecha se pone en movimiento en sentido contrario. Con la espiral, la gota de detergente que se deja en el centro se dirige rápidamente hacia fuera y por la reacción de este movimiento se produce el giro de la espiral. Si se deja caer mucho detergente la espiral se hunde en el agua.

Nuestros chavales están decepcionados porque ahora saben que los insectos no tienen poderes, pero quieren probar más experimentos. Podéis hacerlo añadiendo colorante alimentario a la leche,  y como no repetir estos experimentos con agua salada y con agua a distintas temperaturas.

Féliz Carnaval.








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