Experimento de la botella con un agujero

Las botellas de plástico dan mucho juego en el mundillo de los experimentos caseros. Esta vez usaremos una para hacer un experimento clásico con el que aprender sobre presión del aire y tensión superficial del agua.

Materiales:

  • Una botella de plástico con tapón.
  • Una barrena, una chincheta, un clavo caliente o cualquier herramienta capaz de hacer un pequeño agujero en el plástico de la botella.
  • Agua.
  • Durante el experimento se derrama agua, por lo que debe hacerse en el fregadero, en un barreño o al aire libre.

Procedimiento:

  • Con la herramienta que elijas, haz un pequeño agujero en un lateral de la botella, en la parte inferior.
  • Llena la botella de agua (tapando el agujero con el dedo) y enrosca el tapón.
  • Quita el dedo del agujero y obseva detenidamente. Notarás que un poco de agua se escapa por el agujero, pero enseguida el flujo se detiene por completo.
Botella cerrada

El agua se mantiene en la botella como si no hubiera agujero.

  • Aprieta la botella y aunque el tapón esté enroscado el agua fluirá.
Apretando la botella

Es muy práctico cuando tienes sed.

  • Desenrosca el tapón y verás cómo el agua volverá a salir por el agujero.
Chorro de agua saliendo de la botella

Este experimento es ideal para gastar una broma.

¿Qué ocurre?

Para explicar lo ocurrido tenemos que hablar de la tensión superficial, la presión atmosférica y la gravedad.

Presión atmosférica.

La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire por unidad de superficie. En nuestro experimento tenemos aire fuera de la botella, pero dentro también. Veamos como actúan:

El aire de fuera siempre está ejerciendo presión sobre el agua del agujero, lo que ayuda a que se mantenga dentro de la botella. Sin embargo, el aire del interior ejerce presión sobre la columna de agua, empujándola y favoreciendo que el líquido salga por el agujero.

Cuando la botella está abierta, el aire del interior se encuentra a la misma presión que el aire del exterior, pero ¿qué ocurre cuando se enrosca el tapón? En este caso tenemos aire encerrado en un recipiente al que se puede aplicar la ley de Boyle-Mariott de los gases. Esta ley dice que a temperatura constante y para un gas confinado en un recipiente, el producto de la presión por el volumen se mantiene invariable. Lo que significa que si aumentase el volumen ocupado por el gas, la presión ejercida por este descendería proporcionalmente al aumento de volumen, y si el volumen decreciese, se produciría un aumento proporcional de la presión.

Por ahora lo dejamos aquí, veremos un poco más tarde por qué la ley de Boyle-Mariotte es tan importante en este experimento

Tensión superficial.

Debido a su polaridad (carga positiva en un extremo y negativa en otro), las moléculas de agua se atraen muy fuertemente entre ellas, exite una gran cohesión entre moléculas vecinas. Esta atracción no es igual para las moléculas que están en el interior del líquido que para las que están situadas en la superficie.

Las que se encuentran en el interior del líquido, al estar rodeadas de otras moléculas de agua por todas partes, experimentan fuerzas de cohesión iguales en todas las direcciones. Por este motivo, la fuerza resultante a la que están sometidas se anula, pero ¿qué ocurre en la superficie del líquido?

En la superficie, al no haber agua por encima, las moléculas solo pueden unirse a las moléculas vecinas situadas horizontalmente y por debajo. En este caso, la resultante de las fuerzas de cohesión va dirigida hacia abajo, hacia el interior del líquido, porque la fuerza neta en los laterales se anula. Esta fuerza hacia el interior hace que las moléculas de la superficie estén en tensión, de ahí el nombre de tensión superficial. La consecuencia es que la superficie del líquido se comporta como si fuese una película o membrana elástica en tensión.

En el caso de nuestro experimento, las fuerzas de cohesión tiran de las moléculas de agua que se encuentran en el agujero hacia el interior del líquido evitando que el agua escape y, por tanto, sellando el agujero.

Gravedad.

La gravedad atrae a todos los cuerpos hacia el centro de la Tierra. El agua de la botella no es una excepción, así que saldrá por el agujero atraída por la Tierra.

Resumiendo,  los factores que contribuyen a que el agua fluya por el agujero y los que, por el contrario, ayudan a que el agua se mantenga en la botella son:

  • A favor de la salida de agua: Presión del aire del interior de la botella sobre la columna de agua y gravedad.
  • En contra: Presión del aire del exterior sobre el agujero y tensión superficial.

El agua se mandentrá dentro o fluirá dependiendo de cuáles sean los factores que prevalecen:

Botella sin tapón.  Cuando la botella está abierta el aire que está por encima de la columna del agua ejerce una presión sobre ella igual a la presión atmosférica. Esta presión, unida a la gravedad hacen que el agua fluya a través del agujero venciendo a la presión atmosférica del exterior (sobre el agua del agujero)  y a la tensión superficial.

Botella con tapón. Si has observado con atención habrás notado que una vez cerrada la botella, el flujo de agua no se detiene de forma inmediata, sino que continúa durante un tiempo. Aquí es donde entra en juego la Ley de Boyle-Mariott, ya que, el agua que ha salido ha dejado más espacio disponible al aire que tiene por encima. Entonces, el aire ocupa más volumen y, por tanto, ejerce menor presión sobre el agua. Ahora los efectos combinados de la presión ejercida por el aire del interior y la acción de la gravedad se equilibran con la acción de la presión atmosférica del exterior y  de la tensión superficial del agua. El resultado es que el agua permanece en la botella.

Apretando la botella. La presión ejercida al apretar la botella se traduce en presión sobre la columna de agua. Esta presión añadida, junto con la ejercida por el aire del interior y la acción de la fuerza de gravedad, son capaces de vencer a la presión atmosférica exterior y a la tensión superficial. Como consecuencia, se rompe el equilibrio anterior y el agua fluye aún con el tapón enroscado.

Los padres tienen la responsabilidad de elegir las actividades que según su criterio son seguras para sus hijos. Todas las actividades propuestas en Educaconbigbang deben estar siempre supervisadas por un adulto.




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