¿Puede un objeto sumergido en un fluido en caída libre hundirse más rápido que caer?

Question

He estado pensando en cómo se comportarían los objetos hundidos si pudieras voltear instantáneamente su contenedor con agua. Como si tuvieras un balde lleno de agua corriente normal y dejaras caer una pelota en él. Luego DE ALGUNA MANERA volteas instantáneamente el balde de manera tal que por un momento, el agua queda suspendida en el aire y la pelota sigue tocando la base del balde.

Lo que quiero saber es, en primer lugar, ¿qué pasaría? Sé que si dejas caer una bola de bolos y una bola saltarina desde la misma altura, más o menos tocarían el suelo al mismo tiempo, pero ¿qué pasa con este escenario? Si "dejas caer" agua y un objeto dentro del agua desde la misma altura, ¿llegan al suelo simultáneamente? ¿O el objeto "flota" hacia abajo por el agua que cae?

En segundo lugar, ¿en qué condiciones podría caer primero el objeto? Eso es lo que busco: ¿qué tipo de objeto podría caer fuera del agua y tocar el suelo antes que el agua? ¿Qué diferencia habría entre un barco de madera hundido y una roca?

En tercer lugar, digamos que llevamos este experimento al océano, donde la presión del agua aumenta a medida que se profundiza. Si hay un objeto en el fondo del océano y volteamos el océano, ¿cómo afecta la presión las cosas?

Answer 1

Quiero complementar la respuesta intuitiva de Emilio discutiendo qué sucedería con algunas reflexiones sobre por qué lo que propones en la segunda parte no puede ocurrir.

¿Qué tipo de objeto podría caer fuera del agua y llegar al suelo antes que el agua?

Supongamos que el agua es una entidad única. Para que el objeto acelere más rápido que el agua, el objeto necesita tener una aceleración hacia abajo mayor que la del agua. Esto debería provenir de una fuerza neta hacia abajo que sea mayor que el peso del objeto, ya que en caída libre ambos objetos tendrán la misma aceleración hacia abajo. ¿De dónde vendría esta fuerza? No hay fuerza de flotación en un fluido en caída libre, pero aún si la hubiera, la fuerza de flotación actuaría hacia arriba sobre el objeto, no hacia abajo. Por lo tanto, lo mejor que podrías esperar es que el objeto y el agua se muevan juntos, y esto es efectivamente lo que sucede.

Quizás la confusión proviene de por qué ciertos objetos normalmente se hunden. No son atraídos hacia abajo por el agua, son atraídos hacia abajo por la gravedad. En tus escenarios cotidianos es simplemente que el fluido impide esta "caída". Incluso podrías pensar en nosotros como hundiéndonos en la atmósfera de la Tierra. Por lo tanto, en tu escenario, no es el caso de que porque el objeto esté en el agua de repente signifique que quiere moverse hacia abajo a través del agua. El agua en sí misma no es el mecanismo por el cual los objetos se hunden.

Answer 2

El Principio de Equivalencia te dice que la física en caída libre es idéntica a la física en un marco inercial en ausencia de gravedad, en cuyo caso no hay flotabilidad y cualquier cambio en el límite del líquido proviene de la tensión superficial y efectos relacionados. Lo mismo es cierto para tu masa de agua en caída.

Answer 3

La pregunta está bien respondida por Aaron y Emilio. Para hacer los efectos interesantes, visualicemos el escenario para un caso particular: cuando el objeto es hidrofílico (atrae el agua) y la resistencia al aire es despreciable, de manera cualitativa.

La siguiente imagen muestra el sistema en diferentes momentos:

El "Estado Inicial", como su nombre lo indica, es cómo se ve el sistema inmediatamente después de la inversión. El segundo diagrama (de izquierda a derecha) muestra el sistema después de cierto tiempo. Se puede ver, cerca del fondo, que el líquido cerca de la superficie interna del vaso ha recorrido menos distancia en comparación con el líquido cerca del eje del vaso. Esto se puede atribuir a las fuerzas viscosas del agua que actúan entre diferentes capas. Piénsalo como una fuerza de fricción entre diferentes capas del fluido. En este momento, cerca de la parte superior, se crea una especie de vacío, al igual que cuando se inclinan los "barómetros de mercurio". Supongamos que esta fuerza de succión debido al vacío (más precisamente la presión atmosférica en el fondo empujando el líquido hacia arriba en el vaso) no es suficiente para retener el líquido dentro del vaso en sí.

La tercera imagen muestra la situación en un momento posterior. Hasta ahora, tanto el objeto como el centro de masa del fluido han caído a la misma velocidad. El objeto podría haber descendido ligeramente más que el líquido debido a las fuerzas de atracción proporcionadas por las moléculas del líquido. Esto se observa mejor en la cuarta imagen. En este momento, tanto el agua como el objeto han salido completamente del vaso.

Ahora, la situación será similar a no tener gravedad. Como hemos descuidado la resistencia al aire, el agua toma una forma casi esférica. Además, como el objeto es hidrofílico, las fuerzas de atracción se equilibran solo cerca del centro de la esfera de agua, por lo que el sistema se verá como la última imagen denotada como "Estado Final".

En realidad, si incluimos la resistencia al aire, es posible que tengamos que tener en cuenta las distorsiones en la forma esférica del líquido. Además, esto podría alterar la posición del objeto dentro del líquido.

Edit 1:

Parece que algunos no entienden por qué el objeto se mueve hacia el centro de la esfera de líquido. Para eliminar esta confusión, consideremos el siguiente diagrama, que muestra las interacciones adhesivas entre las moléculas de agua y el objeto en flechas de color rojo:

El objeto colocado descentrado tiene una distribución no uniforme de moléculas de agua a su alrededor. Por lo tanto, la distribución de fuerzas tampoco es uniforme y, por lo tanto, la fuerza neta es hacia el centro. Puedes imaginarlo como diferentes personas tirando del objeto con una cuerda con fuerzas iguales, pero la cantidad de personas en diferentes direcciones es diferente y, por lo tanto, causa una diferencia en el estado de reposo del objeto.

Edit 2:

Se preguntaba en los comentarios cómo algo que no está en contacto con la esfera puede ejercer fuerza. ¿Cómo puede ser la fuerza desequilibrada?
La razón es que las interacciones adhesivas son fuerzas electrostáticas. Estas disminuyen con el aumento de la separación entre los objetos que interactúan. Además, estas fuerzas pueden actuar incluso si no hay contacto físico entre ellos.

Nota:

No estoy diciendo que el objeto en una posición descentrada vaya hacia el centro de la esfera de agua debido a interacciones "hidrofílicas". Es debido a las "fuerzas adhesivas" que actúan entre las moléculas de agua y el objeto. Las fuerzas adhesivas pueden actuar incluso si no hay contacto físico, ya que son de naturaleza electrostática, como se describió anteriormente.

La principal fuente de confusión en los comentarios a continuación fue la falta de comprensión de las fuerzas adhesivas como interacciones hidrofílicas. La razón principal por la que consideré objetos hidrofílicos sobre hidrofóbicos es: en el caso de objetos hidrofóbicos, debido al estado inicial del sistema, el objeto permanecería fuera del líquido y el líquido no tragaría el objeto debido a interacciones adhesivas, ya que las fuerzas repulsivas son más fuertes que las atractivas.

Si el objeto hidrófobo fuera tragado, la energía del sistema aumentaría o, en otras palabras, sería menos estable, por lo que el objeto y el líquido caerían como entidades separadas.

Imagen cortesía: ¡Mi propio trabajo! :)

Answer 4

¿Bajo qué condiciones podría caer primero el objeto?

La resistencia al aire.

Si hay suficiente resistencia al aire para frenar el agua, entonces el objeto más denso que el agua caerá más rápido que el agua.

A menos que OP haya dicho que el líquido estaba cayendo libremente, por lo que la resistencia al aire no aplica aquí

Darle la vuelta al océano, ¿cómo afecta la presión a las cosas?

Esto es bastante diferente.

Por una parte, no está cayendo libremente.

El agua de alta presión que ahora está en la parte superior se expandirá - algo del agua en la parte superior inicialmente será empujada hacia arriba, posiblemente con suficiente fuerza para levantar el objeto más denso que el agua. Luego caerá. El agua que no está en la parte superior caerá desde el instante en que el mar se 'da la vuelta', aunque quizás "hundirse" sea una mejor palabra porque esto no es caída libre, es compresión (en la parte inferior) y descompresión (en la parte superior).

Habrá más que un poco de rebote y turbulencia, pero antes de mucho tiempo, la distribución original de presiones se restablecerá.

Mientras tanto, posiblemente después de haber sido inicialmente lanzado hacia arriba, el objeto más denso que el agua volverá a caer al fondo. Dependiendo de la fricción, el objeto podría arrastrar consigo algo de agua, pero la mayor parte del agua en la parte superior se quedará más o menos en la parte superior, y la mayor parte del agua en el fondo se quedará en alguna parte cerca del fondo, hasta que la convección de temperatura y otras causas de turbulencia entren en juego. Pero creo que eso va más allá del alcance de la pregunta original.

Answer 5

Una vez que vuelcas el cubo sobre el agua, el sistema de bola está en caída libre.

En caída libre las fuerzas gravitatorias no tienen efecto en la disposición (excepto por efectos de marea que son muy débiles a esta escala) así que todo cae a la misma velocidad. tienes un chorro de agua con una bola cerca de la parte superior.

¿Qué podría hacer que la bola se mueva más rápido?

• Elasticidad, si la bola estaba ligeramente aplastada en el fondo del cubo, sale disparada del fondo del cubo moviéndose ligeramente más rápido que el agua

• Imanes, si la bola estuviera hecha de alguna sustancia magnética (como acero) podría ser atraída por un imán cercano. El agua también es ligeramente repelida por imanes.

• Corrientes. La resistencia atmosférica empujará las capas exteriores del agua hacia atrás creando una corriente en el agua que la mueve hacia atrás detrás de la bola.

En tercer lugar, digamos que llevamos este experimento al océano, [...] y volcamos el océano, ¿cómo afecta la presión?

La presión desaparece tan pronto como lo volteas. las cosas presurizadas en el fondo del océano se expanden repentinamente. de lo contrario es igual.