Superficies líquidas

Una botella de plástico está pendiente de una cuerda sujeta en el centro de la tapa. La botella tiene agua. La cuerda es torcida varias vueltas y cuando es soltada gira cada vez más rápidamente. La superficie del agua se curva cada vez más.

¿Tienes idea de por qué se curva la superficie?


Dos superficies

La botella tiene ahora agua y aceite, que no se mezclan, el aceite está por encima del agua. ¿Cómo crees que se curven las superficies?

¿Observaste la curvatura que toma poco después del inicio del movimiento la superficie entre el agua y el aceite?


¡Hazlo, es fácil! Aquí verás cómo preparar la botella.


Fuerzas y superficies

Podemos pensar en el agua de la superficie como una capa delgada compuesta de pequeños elementos. Cada uno de ellos tiene masa y por lo tanto está sometido a la fuerza de la gravedad; su peso.

Superficie plana

El líquido en reposo siempre tiene una superficie plana perpendicular al peso, es decir horizontal. En la figura se han dibujado unas flechas azules que representan el peso de algunos de estos elementos de la superficie.

Si te pudieras hacer pequeño y estuvieras en la botella girando junto con ella y el líquido, experimentarías la sensación de una fuerza horizontal dirigida desde el centro hacia afuera. A esa fuerza se le llama centrífuga.

La fuerza centrífuga sobre un punto dado depende de la velocidad de rotación y de la distancia a la que se esté del eje de rotación.

Superficie curva

Las flechas azules, igual que en la primera figura, representan el peso de cada elemento de agua de la superficie. Las rojas son la fuerza centrífuga, nota cómo son mayores lejos del eje. Las flechas blancas son la resultante y la superficie del líquido es perpendicular a ellas.

La curva blanca es una parábola, la superficie es un paraboloide.

En el caso de la superficie entre el aceite y el agua, además aparece una fuerza asociada con la presión que hay entre ambos fluidos. En reposo, la presión entre ellos es debida al peso del aceite, pero cuando hay movimiento relativo entre los fluidos también hay una presión que depende de la velocidad que hay entre ellos.

Como el aceite es más viscoso que el agua, se pone en movimiento antes que el agua y la presión disminuye en donde la velocidad relativa es mayor, pero la presión también depende de la profundidad; la suma de todo eso tiene como resultado que la superficie se haga cóncava hacia abajo, pero sólo durante un breve tiempo, después el agua se moverá al igual que el aceite y la superficie será también un paraboloide con su concavidad hacia arriba.

Sucesió aceite y agua