¿Por qué un cubo de hielo gira cada vez más rápido mientras se derrite en el agua?

Question

Cada vez que pongo un cubo de hielo en un vaso de agua caliente, para que se derrita rápidamente, y que inicialmente está girando lentamente, noté que su velocidad de rotación aumenta a medida que se derrite y "encoge". ¿Por qué?

Pensé en la conservación del momento angular, pero ¿eso realmente se aplica aquí? La parte del hielo que se derrite en el agua estaría "llevando" parte del momento angular del cubo de hielo a medida que se rompe y se difunde en el agua circundante. Así que no veo ninguna razón para que el cubo de hielo restante rote más rápido.

Sólo puedo pensar en una posible razón, y es sólo una suposición: La fricción entre el agua y el hielo hace que la parte que se derrite forme remolinos que giran en dirección opuesta a la del cubo de hielo, y así el cubo de hielo pierde mucho menos impulso en el derretimiento ya que su límite se está moviendo junto con los límites del remolino adyacente. Si los remolinos se expanden mientras el cubo de hielo se encoge, parece que tendríamos que concluir que el cubo de hielo debe girar más rápido para preservar el momento angular total.

Pero tal análisis parece muy extraño, y no puede ser una imagen adecuada de lo que realmente está sucediendo ya que el "número" de remolinos debe disminuir a medida que el cubo de hielo se encoge, por lo que deben combinarse de alguna manera, y no tengo ni idea de cómo funciona nada de esto.

Entonces, ¿qué es lo que realmente hace girar el hielo?

Answer 1

La misma física que explica por qué el agua tiende a girar cuando se vacía la bañera también responde a esta pregunta. En ambas situaciones hay un flujo de agua hacia abajo que acentúa la rotación residual que queda tras el llenado del recipiente. En el caso de la bañera, el flujo descendente se produce al abrir el desagüe. En el caso del cubo de hielo en agua caliente, el flujo descendente se crea cuando el agua recién derretida se hunde porque está más fría que el agua circundante. Este flujo descendente crea un vórtice y es la interacción entre el cubito de hielo y el vórtice lo que provoca el aumento de la velocidad de rotación del cubito.

Hay una leyenda urbana que afirma que la dirección del giro en los desagües está asociada al efecto coriolis y difiere entre los hemisferios norte y sur. Aunque esto puede ser cierto en el caso de los huracanes y ciclones, es un efecto demasiado pequeño para aplicarlo a los desagües de las bañeras o a los vasos de agua caliente con cubitos de hielo. En estos sistemas de menor escala, el sentido de la rotación viene dictado por la rotación residual creada al llenar el vaso. Esta pequeña rotación residual puede no ser perceptible hasta que el flujo descendente la acentúa.

Editar: @sammygerbil ha encontrado un sitio web que discute este fenómeno y lo atribuye al mismo mecanismo que he esbozado anteriormente.

Answer 2

¡Esta es una pregunta muy bonita, para empezar! Permítanme recurrir a lo que ya se describe en la página web enviada por sammygerbil. Cuando el cubo de hielo en rotación se derrite, el agua fría que se derrite se mueve hacia abajo bajo el cubo, quitándole momento angular. El vórtice debajo del cubo giratorio se reduce al acercarse al fondo porque el momento de rotación es tomado por el agua caliente que lo rodea.
El agua fría que se desplaza hacia abajo atrae el agua caliente (el agua fría que se desplaza hacia abajo debe ser rellenada por otra agua y ésta puede ser tanto agua caliente como agua en fusión, pero el agua caliente prevalece, ya que puede sea claro) que gana momento lineal, y este momento lineal se convierte posteriormente (por un par de torsión que actúa sobre el cubo causado por el agua caliente atraída) en un aumento del momento angular del cubo de hielo.
Así que no creo que el cubo llegue a girar más rápido porque un cubo más pequeño sea más fácil de girar en el remolino, porque el remolino bajo el cubo que se funde también se hace más pequeño mientras se funde (invarianza de escala).