El Principio de Arquímedes y sus Aplicaciones

Arquímedes (287-212 a. C.) realizó descubrimientos notables, entre ellos, el principio de flotabilidad de los cuerpos, conocido como principio de Arquímedes. Este principio establece que un cuerpo, al ser sumergido parcial o totalmente en un fluido, experimenta una fuerza ascendente (empuje) cuyo módulo es igual al peso del fluido que desplaza.

Es crucial diferenciar el peso del fluido desplazado del peso del objeto sumergido.

El principio de Arquímedes se aplica al comportamiento de los fluidos en general. Por ejemplo, un globo aerostático asciende cuando su peso es menor que el peso del aire atmosférico que desplaza.

¿Por qué un Objeto Flota o se Hunde?

La flotación de un objeto depende de la relación entre su densidad y la densidad del fluido.

• Objeto más denso que el fluido: El objeto se hunde. El peso del objeto es mayor que el peso del fluido desplazado y, por lo tanto, mayor que el empuje.
• Objeto con la misma densidad que el fluido: El objeto ni flota ni se hunde completamente. El peso del objeto es igual al peso del fluido desplazado (igual al empuje). El objeto puede encontrarse en cualquier posición dentro del fluido.
• Objeto menos denso que el fluido: El objeto flota. Si el cuerpo se sumergiera completamente, su peso sería menor que el peso del fluido desplazado, por lo que asciende hasta la superficie.

En condiciones de flotación, el objeto desplaza un volumen de agua equivalente a una fracción de su volumen total, equilibrando su peso y el empuje.

(a) Un dinamómetro mide el peso del objeto. (b) Al sumergir el objeto, el dinamómetro mide un peso menor (peso aparente), resultado de restar al peso la fuerza de empuje. Este es un método para medir el empuje.

Tensión Superficial

La tensión superficial es la propiedad que hace que la superficie de los líquidos tienda a contraerse, comportándose como una membrana elástica. Esto explica la forma esférica de las gotas, ya que la esfera es la forma geométrica que minimiza la superficie para un volumen dado.

Técnicamente, la tensión superficial es una fuerza por unidad de longitud, o equivalentemente, el trabajo por unidad de área necesario para aumentar la superficie del líquido. A nivel microscópico, las moléculas internas de un líquido experimentan fuerzas de cohesión (atracción electromagnética) en todas direcciones, resultando en una fuerza neta nula. Sin embargo, las moléculas en la superficie experimentan un desequilibrio, ya que las fuerzas verticales no están compensadas.

Las fuerzas moleculares equilibran el peso de objetos pequeños, como una aguja. El método de Du Noüy mide la tensión superficial aplicando una fuerza ascendente a un anillo de alambre sumergido en un líquido. La tensión superficial se expresa en N/m.

Capilaridad

La capilaridad es el fenómeno por el cual un líquido asciende espontáneamente por un tubo delgado (capilar). Esto ocurre porque las moléculas del líquido presentan fuerzas de cohesión (atracción entre moléculas de la misma sustancia) y adhesión (atracción entre moléculas de diferentes sustancias).

Al introducir un capilar en un líquido, la adhesión hace que el fluido suba por las paredes, mientras que la tensión superficial tiende a contraer la superficie. El líquido asciende hasta que su peso se equilibra con la fuerza de adhesión. Un tubo más delgado permite un mayor ascenso.

La relación entre cohesión y adhesión determina si un líquido moja o no una superficie sólida:

• Si la cohesión es menor que la adhesión, el líquido moja la superficie.
• Si la cohesión es mayor que la adhesión, el líquido no moja la superficie.

El ángulo de contacto cuantifica esta relación. Si el ángulo es menor a 90°, el líquido moja la superficie; si es mayor a 90°, no la moja.

Si un líquido moja las paredes de un capilar, se forma un menisco cóncavo. Si no las moja, se forma un menisco convexo y el líquido desciende por el tubo.

Aplicaciones de la Capilaridad

La capilaridad es fundamental en diversos procesos:

• Distribución del agua en el suelo.
• Transporte de agua y nutrientes desde las raíces hasta las hojas en las plantas (xilema). La capilaridad, junto con la evaporación en las hojas, impulsa el ascenso de la savia.
• Sistema circulatorio humano: los capilares sanguíneos distribuyen la sangre a los tejidos.
• Objetos tecnológicos: esponjas, toallas, mecheros, bolígrafos, etc.
• Humedad en muros de construcciones.

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