Reflexiones sobre burbujas y globos sumergidos

Sep. 14 , 2011

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No hay que dejar que los éxitos obtenidos se suban a nuestro globo.  Se vuela más alto con los fracasos.

Definiendo sistema como aquella parte del universo que nos interesa y ambiente como todo lo demás, un sistema físico puede estar confinado a una cierta región del espacio. Esperamos que en el universo, esto es, el sistema más el ambiente, la energía se conserve, de modo que la energía se transforme parcialmente de una en otra o que fluya, pero que no desaparezca, lo que más que un acto de fe es un postulado.  Así, podemos definir trabajo mecánico sobre un sistema como el producto entre el desplazamiento y la fuerza aplicada en su dirección. Al empujar una caja verticalmente realizamos trabajo sobre ella, energizándola, es decir, dejándola con la posibilidad de que proporcione energía a otros sistemas, como lo hará en su descenso si es conectada a dispositivos mecánicos. Lo mismo ocurre cuando estiramos o comprimimos un resorte, lo estamos energizando a través de la aplicación de un trabajo mecánico.

Cuando suponemos el ascenso marino de una burbuja o globo, ésta lo hace porque con su hundimiento hemos almacenado en ella la energía necesaria para su ascenso (al revés del ejemplo anterior con la caja). Es decir, también lo hemos energizado, por lo que obtendremos del globo trabajo mecánico que podría permitirnos ascender objetos.

Si el globo no se lleva hasta el fondo inflado sino que se infla en él, aparentemente no habrá inyección previa de trabajo mecánico para asegurar su ascenso y el de aquellos objetos que le puedan ser atados.  Sin embargo, sabemos que no es así, pues el globo igual funcionará. Entonces ¿de dónde se obtendría esa energía que asegurará el ascenso de un globo - y el de los objetos atados- que se infló en el fondo? Se obtiene del propio gas, que al formarse o expandirse, realiza trabajo mecánico sobre las paredes del globo.
Así es que si el globo se infla en el fondo del mar, la energía inicial es aportada por la expansión del gas, a partir de lo cual, a esta especie de “resorte estirado” no le queda más que ascender hasta su posición de equilibrio, de acuerdo al principio de flotabilidad de Arquímedes.

En general, a presiones no muy altas, el trabajo mecánico ejercido por expansión de volumen de un gas sobre las paredes de un recipiente, si ocurre rápidamente (no habiendo tiempo para el intercambio de calor), será a expensas de su energía interna, disminuyendo su temperatura. Chequee esto: si sopla sobre su mano con la boca muy abierta (expansión lenta) sentirá menos frío que si sopla con la boca más cerrada, disminuyendo la abertura (expansión rápida).

¿Y las burbujas de la bebida gaseosa o la cerveza, cómo se producen? Éstas se producen porque hay irregularidades microscópicas en el recipiente que contiene la bebida, las que operan como núcleos de bolsas de aire, que crecerán a expensas del dióxido de carbono (CO₂) de la propia bebida. Con la entrada de más CO₂ a la burbuja desde la bebida, se produce el trabajo de expansión de volumen señalado y la burbuja asciende por diferencia de densidades entre el globo, con su fluido gaseoso, y el fluido líquido, obedeciendo al principio de Arquímedes, que asegura que al peso del cuerpo sumergido (globo) se opone el peso del volumen de fluido desplazado por el mismo cuerpo, una fuerza ascendente. Un caso vistoso de formación de burbujas es cuando agregamos material poroso, tal como un granito de arena a la bebida en la playa. Ese granito de arena contiene muchas microcavidades donde se pueden iniciar las burbujas.

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