(ignorando la resistencia del aire que hace que la botella tome posiciones en el aire. Digamos que se deja caer en el vacío con la gravedad terrestre acelerando hacia abajo) no puedo captar lo que sucede con la burbuja con mi ojo desnudo, y he pensado que es mejor preguntar a algunos expertos :)
Si dejas caer una botella sin ningún movimiento residual (es decir, no está girando, etc.), todo lo que hay dentro de esa botella estará en "caída libre". El aire y el agua intentarán caer a la misma velocidad.
Hay un bonito vídeo de lo que ocurre con el agua cuando se "derrama" en la Estación Espacial Internacional se convierte en una "mancha" debido a la tensión superficial. Si a esto le añadimos una pequeña atracción entre el líquido y la botella en la que se encuentra (superficie hidrofílica, que atrae el agua en lugar de repelerla), veremos que el agua querrá permanecer activamente en el fondo de la botella: no hay ninguna fuerza que la aleje, y en realidad hay una fuerza (débil) que la mantiene allí.
Así que el aire se queda arriba y el agua abajo. Cuando llegue al suelo, hará un gran lío, pero no es eso lo que preguntabas...
El efecto hidrofílico haría que el agua subiera por el lado de la botella. Sin embargo, también podría ser hidrofóbico.
Creo que nada. Ejemplo #1: Calcular la velocidad rms de una molécula de gas oxígeno, O2, a 31,0 °C
Solución:
$v=\sqrt{\frac{3RT}{M}}=\sqrt{\frac{3 \times 8.31447 \times 304.0}{0.0319988}}=486.8 m/s$
Esa es una velocidad media bastante alta de las moléculas de oxígeno. La aceleración de la botella no la cambia mucho al principio. La dirección del movimiento de las moléculas es aleatoria si la velocidad de la botella es mucho menor que el número calculado arriba, pero con el tiempo se irán despacio en relación con la botella.
Sí, fallo mío, formulé la pregunta de forma incorrecta. ¿En qué dirección crees que fluye o se queda? (hablando de la burbuja de aire)
Sí, dentro contiene esta burbuja de oxígeno pero alrededor hay vacío, y se deja caer desde una distancia X.
El entorno de un objeto en caída libre es el mismo que el de uno sin campo gravitatorio (sin tener en cuenta los gradientes del campo gravitatorio, es decir, las fuerzas de marea).
Por lo tanto, antes de dejar caer la botella, la gravedad mantiene el agua en el fondo y crea un ligero gradiente de presión de aire entre la parte superior y la superficie del agua, y un gradiente de presión de agua entre la superficie y el fondo.
Al dejar caer la botella, la gravedad "desaparece". Los gradientes de presión desaparecen. El aire de la superficie tira un poco hacia arriba al caer su presión. Más significativamente, si no es un material rígido, el fondo de la botella rebotará un poco porque ya no está contrarrestando ninguna presión del agua.
El efecto neto es que, incluso sin la resistencia del aire o las corrientes de agua previas, el agua tenderá a empezar a chapotear y mezclarse con el aire.
Una mezcla de líquido y gas en un recipiente cerrado en un entorno de gravedad cero puede ser bastante extraña. Con el tiempo suficiente, el contenido del tanque acaba convirtiéndose en una mezcla etérea de manchas de líquido, burbujas de gas y espuma. Esto supone un importante reto de diseño para los depósitos de combustible líquido destinados a ser utilizados en el espacio. Una solución es utilizar una vejiga para separar el líquido del gas de arrastre. Eso no es divertido. En un tanque de este tipo no hay mezcla de líquido y gas. (Además, la vejiga es un punto de fallo).
Sin una vejiga, las únicas formas de llevar el combustible del tanque al propulsor son no dejar nunca de disparar los propulsores (forzando así el combustible a un extremo del tanque), girar el tanque para centrifugar el combustible o utilizar dispositivos (normalmente pasivos) basados en la tensión superficial que recogen el combustible. Estos dispositivos se denominan dispositivos de gestión del propulsor, y existen muchas patentes de este tipo de dispositivos .
A corto plazo, el chapoteo del agua al soltar la botella de forma no del todo limpia será el efecto dominante. A largo plazo, dado que no se tiene en cuenta la resistencia del aire, y si suponemos que la botella no gira de ninguna manera, la tensión superficial será la dominante.
Diferentes interfaces de materiales tienen diferentes energías, y en ausencia de otras fuerzas esas energías tratarán de minimizarse. Por ejemplo, si todo lo demás es igual, el agua y el aire se reorganizarán para que la interfaz aire/agua sea lo más pequeña posible. Dependiendo del plástico (y de su humectabilidad), la interfaz plástico/aire o plástico/agua también puede minimizarse en mayor o menor medida. (Tomé el curso 3.091, "Introducción a la Química del Estado Sólido", del profesor August Witt en el MIT en 1980; ¡qué profesor tan impresionante!)
Por ejemplo, si el plástico es extremadamente hidrofóbico, la interfaz agua/plástico se reducirá al mínimo y acabará habiendo una gran bola de agua flotando en el centro de la botella. O, si el plástico es extremadamente hidrófilo, acabará habiendo una gran bola de aire flotando en el centro de la botella.
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