Considera el experimento en este enlace.
El experimento incluye el uso de una regla como palanca, con un globo inflado en un lado y un globo que no está inflado en el otro.
El objetivo del experimento es mostrar que el aire tiene masa.
He visto a muchos niños realizando experimentos similares.
Pero, si la presión del aire dentro del globo es igual a la del exterior, entonces la fuerza de flotación cancelará el peso del aire dentro del globo, ¿verdad?
Puedo pensar en al menos cuatro cosas que suceden en este experimento que necesitan ser destacadas:
Entonces, ¿qué tan grande es cada uno de estos efectos?
Resumiendo en una tabla:
factor efecto a temperatura ambiente
temperatura -5.5% 0.0%
humedad -2.0% 2.9%
CO2 1.9% 1.9%
presión 2.9% 2.9%
neto -2.7% 7.7%Así que, un globo recién inflado tendrá solo una densidad ligeramente menor que el aire que desplazó, porque el efecto de temperatura + humedad es mayor que los otros dos. Después de esperar un poco, la temperatura se igualará y la densidad del aire dentro del globo será mayor - en un 7.7%, con más de la mitad de eso no causado por la presión en el globo...
En resumen: el experimento descrito en tu enlace mide la diferencia de densidad entre el aire en un globo y el aire ambiente. Dado que la densidad del aire dentro del globo es mayor que la densidad fuera del globo, se puede concluir que el aire dentro del globo tiene una densidad finita. NO se puede concluir que el medio fuera del globo (que creemos que es "aire seco") tenga alguna densidad en absoluto - ya que nada en esta medición nos dice acerca del aire fuera del globo.
Si hicieras el experimento cuidadosamente con un globo inicialmente lleno de aire cálido, y permitieras que el aire se enfriara, podrías darte cuenta de que el equilibrio cambia - en otras palabras, que debe haber un cambio en la flotabilidad experimentada por el globo a medida que se enfría. ESE sería un experimento para demostrar que "el aire tiene masa" (el volumen del globo disminuye, y experimenta menos flotabilidad). A partir del experimento descrito (haciendo explotar el globo), aprendemos que el "aire exhalado tiene masa". Eso no es lo mismo.
Si usas una bomba de aire (bomba de globos) para inflar el globo, los primeros tres componentes desaparecerían y solo te quedaría la diferencia debido a la presión - 2.9% de la masa del aire en el globo.
Esta es una forma perfectamente buena de demostrar que la densidad del aire aumenta con la presión, y por lo tanto que el aire debe tener una masa.
Cuando las balanzas se inclinan hacia abajo en el lado del globo no explotado, muestra que el volumen contenido dentro del globo tiene una masa mayor que el mismo volumen de aire a presión atmosférica. Esto significa que la densidad debe ser mayor. Aunque no sabemos la presión dentro del globo, sabemos que debe ser mayor que la presión atmosférica porque la piel elástica del globo está ejerciendo una fuerza sobre el aire dentro de él.
La respuesta de John Rennie señala correctamente que la cadena de razonamiento correcta aquí es un poco compleja:
En un lado de la balanza tenemos una columna de aire subiendo hacia el espacio, un globo, y algo de aire comprimido, y hemos desplazado una cantidad de la columna de aire igual al volumen del aire comprimido.
En el otro lado tenemos una columna de aire similar y un globo.
El primer lado baja, y por lo tanto tiene más masa.
Por lo tanto, el aire es compresible en una forma que tiene una densidad mayor que la masa de aire desplazado.
Por lo tanto, el aire tiene masa.
Esta cadena de razonamiento compleja es probable que se pierda en todos menos en los estudiantes más brillantes. Y un estudiante podría fácilmente señalar que un globo que contiene una mezcla de aire y helio podría producirse de manera que cause que el otro lado de la balanza baje, pero de esto no concluiríamos que el aire-más-helio es sin masa.
Un experimento mejor sería tener dos botellas rígidas idénticas, evacuar el aire de una, y mostrar que la botella evacuada tiene menos masa, ya sea equilibrándolas entre sí o midiendo su inercia. Por supuesto, esto tiene el inconveniente de requerir equipo especializado.
Un experimento que me gusta que muestra que el aire tiene masa es el siguiente:
La bola de bolos avanza hacia adelante, indicando que tiene masa. Tiene inercia, por lo tanto, tiene masa. El globo de helio flota hacia atrás. ¿Qué causa que el globo vaya hacia atrás? La presión del aire debe haber aumentado en la parte delantera del automóvil y disminuido en la parte trasera cuando se aplicaron los frenos. Algo del aire de la parte trasera del automóvil siguió hacia adelante cuando se frenó, por lo tanto, el aire, al igual que la bola de bolos, tiene inercia y por lo tanto, masa.
Si bien el experimento que describes es legítimo, tiene una complejidad que podría hacerlo difícil de entender ("¡oh, mi aliento tiene masa!").
La forma más simple de hacer esto es poner un contenedor (he visto que se usa un balón de baloncesto, pero los globos también funcionan) en una balanza con pesos regulares en el otro lado. Usa una bomba de bicicleta para agregar aire a tu contenedor y ver cómo aumenta la masa del contenedor.
Es difícil argumentar que la bomba está importando algo más que el mismo aire que rodea tu contenedor, y el efecto es claro. Esto funcionó bien para mí en mi juventud.
¡La respuesta a tu pregunta: "Pero, si la presión del aire dentro del globo es igual a la del exterior, entonces la fuerza de flotación cancelará el peso del aire dentro del globo, ¿verdad?" es SÍ! Desafortunadamente, este no es el caso para un globo de goma inflado. La presión dentro del globo se incrementa por la presión elástica del globo reduciendo el volumen y por lo tanto la fuerza de flotación.
El experimento en el enlace dado está defectuoso en que 1) la sustancia dentro del globo no es la misma que la del exterior y debido al uso de un globo elástico, tiene una densidad mayor. 2) La afirmación en el experimento de que "En realidad, el aire pesa 14.7 libras por pulgada cuadrada a nivel del mar" es de hecho la presión y no el peso.
Los resultados diferentes del experimento se deben a errores experimentales.
La masa del aire podría determinarse con mayor precisión con un experimento que utilice una propiedad dependiente de la masa como la inercia (m=F/a).
Ofrezco lo siguiente con la esperanza de aclarar el tema de la presión, temperatura, sustancia, contenedor.
La "masa" de un contenedor no rígido y la sustancia con la que está lleno es mayor que la del contenedor solo, por la "masa" de la sustancia contenida en él.
Dado que el "peso" medible depende de cosas como la fuerza gravitacional y la flotación, es difícil medir experimentalmente las diferencias de peso.
Si el contenedor no rígido está lleno con la misma sustancia que fuera del contenedor, y está a la misma temperatura y presión, el "peso" del contenedor vacío y lleno será el mismo. El peso de la sustancia dentro del contenedor será cancelado por la flotación de la sustancia fuera del contenedor. Esto es válido tanto para sustancias líquidas como gaseosas, siempre y cuando el contenedor solo tenga flotabilidad negativa.
Si sientes la necesidad de intentar "medir" experimentalmente la diferencia de peso, te sugeriría usar una balanza digital de cocina que pueda medir al menos 0.1 onzas y un mecanismo de brazo de palanca para aumentar la sensibilidad. Si puedes conseguir un brazo de palanca lo suficientemente ligero, quizás puedas medir con una sensibilidad de 0.01 onzas. Te verás limitado por el rango de la balanza y el peso del mecanismo de palanca y el contenedor. A nivel del mar y a 15 °C, el aire tiene una densidad de aproximadamente 1.225 kg/m3 (0.001225 g/cm3, 0.0023769 slug/ft3, 0.0765 lbm/ft3) según la ISA (Atmósfera Estándar Internacional). Esto significa que un pie cúbico de aire pesa más de 8 onzas, debería ser fácil de medir si el aire capturado está añadiendo peso al contenedor.
Coloca un gancho en el extremo del brazo de palanca y cuelga una bolsa de basura sin abrir en él. Si usas la opción de tara en la balanza, te permitirá medir directamente cualquier cambio en el peso. Una vez hayas descontado el peso de la bolsa y el mecanismo de amarre, retíralo del gancho y llena la bolsa de aire. Ata la abertura lentamente para asegurarte de que no se ha aplicado presión al aire en su interior aparte de la presión del peso de la bolsa colgante. No deberías ver ningún peso en la balanza indicando que no hubo aumento de peso al añadir el aire. Ten en cuenta que si logras que la balanza sea lo suficientemente sensible, podrías ver fluctuaciones debido a vibraciones sísmicas o acústicas.
Otro experimento interesante que muestra el efecto de la temperatura y la presión en el globo sería usar tu mecanismo de balanza de brazo de palanca para medir un globo de fiesta "elástico" grande lleno de aliento en un día muy frío en Minnesota. Si tu balanza es lo suficientemente sensible, deberías poder ver el aumento de peso a medida que la mezcla caliente de monóxido de carbono y aire en el globo se enfría. Esto sería debido a la disminución de flotabilidad a medida que el globo se encoge.
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Pero, ¿por qué piensas que la presión del aire dentro del globo es igual que la de afuera? ¿No estás haciendo trabajo cuando inflas un globo?
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Enlace de la Máquina del Tiempo en caso de que sea necesario en algún momento. Sin embargo, sería bueno si pudieras expandir un poco más sobre el experimento: (a) exactamente lo que se supone que debes hacer, (b) cuáles son las observaciones, y (c) las inferencias a partir de ellas.