¿Por qué las placas húmedas se pegan entre sí con una fuerza relativamente alta?

Question

Cuando lavo platos y no los seco de inmediato y los coloco uno encima del otro, parecen pegarse con una "fuerza" relativamente alta: es decir, cuando intento levantar el plato de arriba horas más tarde, el plato de abajo se adhiere al plato que intento levantar hasta el punto en que "vence" la gravedad.

• ¿Cuál es el nombre de este efecto?

• ¿Es posible calcular la fuerza de unión (es decir, por área de los platos)?

• ¿Hay alguna investigación sobre cómo varios tipos de líquidos (no solo agua) afectan esta fuerza de adhesión? (¿el aceite proporcionaría una mejor o peor adhesión?)

• ¿Existe un grosor "óptimo" del líquido entre los dos platos que maximice la adhesión?

Editar: Según la solicitud en los comentarios, adjunto una imagen de los platos (platos de porcelana regulares).

PD: Realicé un experimento con agua fría (como se sugiere en una de las respuestas a continuación) y los platos aún se pegan muy rápido. Por lo tanto, debe ser la viscosidad del agua y la tensión superficial y la adhesión de las moléculas de agua (como menciona la respuesta de Niels abajo), en lugar de un sello al vacío creado enfriando agua "caliente").

Answer 1

Esta ha resultado ser una pregunta muy interesante. Basándome en todos los buenos comentarios, enmendaré mi respuesta aquí. Hay (al menos) dos partes en este problema. Una es por qué las placas se pegan en primer lugar y la otra es el mecanismo exacto por el cual la adhesión entre ellas se rompe cuando las separas. Mi respuesta original trataba sobre qué las mantiene pegadas (el mecanismo de adhesión) pero hay mucha física interesante relacionada con lo que sucede cuando tiras con la suficiente fuerza para separar las placas. Hay varios experimentos simples y divertidos que se pueden hacer para arrojar luz sobre lo que está sucediendo aquí. Primero, podrías repetir el experimento con las placas sumergidas en agua para eliminar cualquier efecto relacionado con la dinámica de mojado/desmojado. Segundo, puedes hacer el experimento en aire pero con agua mezclada con detergente, para reducir en gran medida los efectos de tensión superficial. Tercero, podrías realizar el experimento con placas de vidrio transparente o mejor aún, láminas de vidrio plano y grabar lo que sucede con una cámara digital mientras se separan. Ahora te devuelvo a tu programación regular.

Cuando un conjunto de placas idénticas se apila juntas, sus superficies superiores e inferiores adyacentes encajan bien entre sí con muy poco espacio entre ellas. Si intentamos separarlas, es fácil que el aire fluya hacia el espacio y permita que este crezca, y que las placas se separen.

Si hay agua en ese espacio y tratamos de separarlas, varias cosas suceden: primero, tenemos que retraer la delgada película de agua en una gota en el centro del conjunto de placas, y la viscosidad del agua se opone a esa deformación.

En segundo lugar, la adhesión que las moléculas de agua tienen por las superficies de las placas hace que el agua quiera permanecer en contacto con esas superficies y no ser absorbida de vuelta en una gota. Se requiere trabajo para desmojar las superficies de las placas, por lo que se debe aplicar trabajo para separar las placas.

En esencia, el agua actúa como un (mal) pegamento, pero lo suficientemente bueno como para ilustrar varias propiedades de un buen pegamento: 1) tiene que desarrollar una alta viscosidad después de ser colocada en un espacio, y 2) tiene que mojar completamente las superficies del espacio antes de que su viscosidad comience a aumentar.

Answer 2

Las otras respuestas aquí ofrecen muchas explicaciones para casos generales en física, pero hay otro factor que debe ser considerado en tu ejemplo específico: succión.

Si lavas tus platos con agua caliente, entonces naturalmente calentarás los platos en el proceso. Después de apilar tus platos, el aire atrapado entre ellos absorberá algo de ese calor a medida que los platos se asientan, se expanden según la ley de los gases ideales, y empujan algo de aire hacia la atmósfera circundante.

Después de varias horas de enfriamiento, el aire atrapado entre los platos se encogerá, ejerciendo menos presión sobre los platos. En ese punto, el aire circundante tenderá a juntar los platos, similar a una ventosa.

La 'liberación' de los dos platos es el mismo efecto que ves al abrir un nuevo frasco de mermelada; el "chasquido" de la tapa es causado por la liberación de la acción del resorte mientras el aire puede volver a presurizar el contenedor. El estado de baja presión es causado al empacar los contenidos mientras están calientes, y permitir que el enfriamiento "chupe" la tapa hacia abajo, formando un sello hermético que mantiene la comida fresca por años.

Es notable que esta es una teoría fácilmente comprobable: la próxima vez que laves tus platos, pásalos por agua fría durante un corto tiempo antes de secarlos. Déjalos por el mismo tiempo, luego intenta separarlos. Si los platos son más fáciles de separar, entonces la succión del aire encogido es un factor significativo. Si no lo son, entonces la succión no es un factor significativo (o los platos no se enfriaron lo suficiente).

Answer 3

No se unen para todos los líquidos

Si pusieras un líquido con un ángulo de mojado grande (como el Hg que forma "gotas"), las placas se separarán. Para un líquido como el agua que tiende a esparcirse en una placa, las fuerzas se vuelven muy grandes a distancias cortas.

La fuerza depende de la tensión superficial del líquido, el ángulo de mojado en la placa, el volumen del líquido y la separación de las placas.

Esto se puede calcular a partir de la teoría capilar con el cálculo de variaciones:

Este es un artículo que muestra la fuerza capilar entre dos placas en función de qué tan bien el líquido "moja" las placas: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0001616088903288

Answer 4

Hay una respuesta muy buena de Niels Nielsen, siento que necesito agregar algunos detalles sobre el mecanismo de adherencia:

1. La fuerza de Van der Waals no solo es responsable de dar a las moléculas de agua la capacidad de pegarse entre sí, también es responsable de dar a las moléculas de agua la capacidad de pegarse a otras superficies. Contrariamente a la creencia popular, hay múltiples tipos de fuerzas de Van der Waals. Ahora, en tu caso, la fuerza de Van der Waals (un tipo) da la capacidad de un lado a las moléculas de agua de pegarse a una de las superficies de la placa, y de que las moléculas de agua se peguen entre sí (otro tipo de la fuerza de Van der Waals), y luego en el otro lado se peguen a la otra superficie de la placa. Y ahí lo tienes, el efecto es como si las dos placas se pegaran. La fuerza de Van der Waals se acepta comúnmente que se basa en la electromagnetismo, así que volvemos a que la fuerza electromagnética domina sobre la gravedad a distancias cortas. Si tienes una sola placa húmeda, y la sostienes, puedes ver que no toda el agua se cae, la fuerza de Van der Waals mantiene algo del agua pegada a la placa (comúnmente se le conoce como tensión superficial). La fuerza electromagnética domina sobre la gravedad en este caso.

de la molécula se orientará con el lado extremadamente negativo de otra molécula.

Explicación de la fuerza de Van der Waals

2. Cuando tienes dos platos húmedos, y los juntas, el agua se aplasta entre ellos y el área de superficie aumenta extremadamente, y la fuerza de Van der Waals parece ser extremadamente fuerte contra la gravedad, si tienes dos platos de plástico, ni siquiera se pueden separar si solo sostienes el de arriba. Por supuesto, en tu caso, si usas platos de cerámica pesados, la fuerza de Van der Waals se vuelve inferior y la gravedad toma el control y el plato de abajo se separa del de arriba. Por cierto, así es cómo los geckos se pegan a las superficies (incluyendo otras fuerzas electrostáticas).

la sorprendente habilidad de escalada del gecko depende de fuerzas de atracción molecular débiles llamadas fuerzas de Van der Waals,

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2002-08/lcc-sph082202.php

Aunque las mediciones directas de carga demuestran claramente que la contribución de las interacciones electrostáticas impulsadas por la CE en la adhesión del gecko es dominante, se debe tener en cuenta que, junto con las fuerzas electrostáticas, las fuerzas de Van der Waals (vdW) y las fuerzas capilares también podrían contribuir a las fuerzas de adhesión medidas [7,9,24];

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4233685/

Puedes ver frases donde usan tensión superficial y es correcto. Solo quería asegurarme de que el mecanismo subyacente (Van der Waals) y la fuerza fundamental (EM) que están en juego sean claros.

Answer 5

Este proceso aparentemente se llama ajuste por adherencia. Según Wikipedia:

Debido a sus superficies ultra planas, cuando se ajustan por adherencia, los bloques patrón se adhieren entre sí firmemente. Los bloques correctamente ajustados por adherencia pueden soportar una fuerza de tracción de 300 N (67 lbf). Aunque el mecanismo exacto que causa la adherencia es desconocido, se cree que es una combinación de:

• La presión del aire que se aplica entre los bloques porque el aire se elimina de la unión
• La tensión superficial del aceite y el vapor de agua presentes entre los bloques
• La atracción molecular que ocurre cuando dos superficies muy planas entran en contacto; esta fuerza hace que los bloques patrón se adhieran incluso sin lubricantes superficiales, y en el vacío

Se cree que las dos últimas fuentes son las más significativas. No hay magnetismo involucrado.

Se debe tener en cuenta que esta teoría se aplica a superficies extremadamente planas ("Las condiciones mínimas para la capacidad de ajuste por adherencia son un acabado superficial de 1 microinch (0.025 μm)").

En caso de objetos menos perfectos (por ejemplo, platos de cena), las dos primeras fuentes (presión del aire y tensión superficial) serán las más significativas.