¿Por qué una bola de corcho flota hacia un lado de un vaso como se ilustra en el siguiente GIF? ¿Cuál es el fenómeno físico detrás de esta observación y por qué sucede?
Es una combinación de dos efectos: flotabilidad y adhesión.
La flotabilidad levanta el corcho tanto como sea posible, hasta que desplace su propio peso de agua (principio de Arquímedes). Por esta razón, el corcho buscará el punto más alto del nivel del agua.
Debido a la adhesión entre las moléculas de agua y el vidrio, el nivel del agua es más alto en los bordes (el nivel del agua es cóncavo). Como resultado, el corcho se mueve hacia los lados.
Si llenaras el vaso hasta el borde, el nivel del agua se vuelve convexo (debido a la tensión superficial), y el corcho se quedará en el centro.
Ver también este sitio y este video de youtube.
Información Adicional
Coincidentemente, ayer surgió una pregunta muy similar en un programa de ciencia holandés, y me enteré de que en realidad hay un nombre para este fenómeno: el efecto Cheerios. El nombre se deriva del hecho de que objetos pequeños flotantes en un líquido, como burbujas en agua o Cheerios en leche, tienden a agruparse o pegarse a las paredes.
La razón es la misma que mi respuesta anterior: hay dos fuerzas actuando sobre un objeto flotante: la flotabilidad (que intenta empujar el objeto fuera del líquido) y la tensión superficial (que intenta mantener el objeto en el líquido). El resultado es un compromiso, donde el objeto es empujado parcialmente fuera del líquido, causando que la superficie se deforme: forma una pequeña colina.
Los objetos flotantes cercanos se ven afectados por esta deformación: un objeto flotante busca el punto más alto en un líquido (la flotabilidad hace que suba y se mueva hacia arriba a lo largo de la superficie), por lo que se moverá hacia la 'colina' formada por el otro objeto. Por lo tanto, las burbujas (o Cheerios) se agruparán juntas.
Un efecto similar sucede con objetos que son más densos que el líquido, pero no son demasiado pesados, por lo que no se hunden gracias a la tensión superficial. Los clips de papel son un ejemplo. Estos objetos realmente empujan hacia abajo el líquido, creando un pequeño 'valle' en la superficie alrededor de ellos. Pero dicho objeto también buscará el punto más bajo en la superficie, lo que significa que objetos densos cercanos nuevamente se atraerán entre sí. Entonces los clips de papel también se agrupan juntos.
¿Qué sucede cuando un objeto menos denso que el líquido (por ejemplo, un Cheerio) está junto a un objeto denser que el líquido (por ejemplo, un clip de papel)? El primero crea una colina y busca el punto más alto, el segundo crea un valle y busca el punto más bajo. ¡Así que el resultado es que se repelen mutuamente!
Hay un artículo muy interesante que explica estos efectos más detalladamente:
@Pulsar Muchas gracias, esa es la respuesta correcta. Como mencionaste, la atracción se debe a la curvatura de la interfaz. La curvatura local de la interfaz se deforma debido a la inclusión de una partícula.
@Pulsar -- Creo que necesitamos clarificar las diversas suposiciones en las respuestas diferentes: estás afirmando que las propiedades de mojabilidad del corcho son irrelevantes, todo lo que cuenta según tu modelo es que el vidrio debe estar mojado de agua. ¿Correcto?
Lo que parece estar ocurriendo es que los efectos capilares en presencia de gravedad crean una situación en la que el corcho, al estar descentralizado al máximo en el vaso, corresponde a una configuración de energía mínima.
Supongo que el corcho es no mojante, y por lo tanto está rodeado por una superficie de agua que se dobla hacia abajo en la proximidad del corcho, creando así un pequeño aumento en el nivel general de agua en el vaso. Con el corcho apoyado contra el borde del vaso, este aumento en el nivel de agua se minimiza.
Si todo esto es correcto, el efecto debería desaparecer si el corcho es reemplazado por un material flotante que esté mojado por el agua.
¡Buena ruptura de simetría! La superficie del agua se parece (más o menos) al logo del potencial del Higgs de PSE.
Como se mencionó, mi respuesta supone una superficie de corcho no mojada por agua, mientras que una respuesta alternativa (la de John Rennie) supone un corcho mojado por agua. ¿Quizás el autor original pueda comentar sobre la observación de la flexión de la interfaz del agua cerca del corcho?
@Johannes Solo estás parcialmente en lo correcto. El efecto se llama atracción/repulsión de partículas coloidales en la superficie, o en la interfaz gas/líquido. Es completamente debido a la curvatura de la partícula en la interfaz aire/agua. La gravedad solo estabiliza el menisco.
Busqué la respuesta a esta pregunta en un libro publicado en 1914, ¡no obtienes muchas citas de 99 años de antigüedad! Para los interesados, el libro es "Un Texto de Física Vol. 1" por J. H. Poynting y J. J. Thompson, página 188 en mi copia. Por cierto, el mismo J. J. Thompson que descubrió el electrón; Poynting tiene un vector nombrado en su honor, aunque solo los físicos probablemente hayan oído hablar de él.
De todas formas, supongamos que tienes dos placas paralelas parcialmente sumergidas en un líquido. En nuestro caso, una placa es la pared del recipiente y la otra es el costado del corcho (no son exactamente paralelas, pero es una aproximación razonable).
El líquido entre las placas sube debido a la acción capilar. La altura de la subida está dada por:
$$ h = \frac{2\gamma \cos\theta}{d\rho g} $$
Donde $\gamma$ es la tensión superficial del fluido y $\theta$ es el ángulo de contacto, $\rho$ es la densidad del fluido y $g$ es la aceleración debida a la gravedad. Es la subida capilar la que causa la fuerza atractiva entre las placas, o en este caso entre el corcho y el recipiente, pero la explicación de esta fuerza probablemente no es lo que piensas.
Puede ser tentador pensar que es la tensión superficial la que jala las placas juntas, pero Poynting muestra que la tensión superficial en los dos lados de cada placa siempre se equilibra, es decir, la tensión superficial no causa una fuerza neta en la placa. El argumento para esto es sutil y no lo voy a reproducir aquí; verifica el libro de Poynting para los detalles más específicos.
La fuerza se crea porque la región de agua elevada entre las placas está a una presión menor que la presión atmosférica, por lo que afuera de las dos placas la presión es de 1 atmósfera, pero en el fluido entre las placas la presión es menor a 1 atmósfera. El resultado es una fuerza neta que jala las placas juntas. Esta reducción de presión sucede debido a que la curvatura del menisco en la parte superior del agua elevada ejerce una tensión sobre el agua, lo cual es obvio porque es lo que jala el agua hacia arriba. La diferencia de presión promedio entre la película elevada entre las placas y la atmósfera afuera es simplemente:
$$ \Delta P = \rho g h/2 $$
Por lo tanto, usando nuestra ecuación para $h$ arriba obtenemos:
$$ \Delta P = -\frac{\gamma \cos\theta}{d} $$
donde el signo negativo indica que la presión es menor entre las placas.
Entonces siempre hay una fuerza atractiva entre las placas, y esta fuerza es proporcional a $d^{-1}$, por eso el corcho acelera a medida que se acerca al costado del recipiente.
Esto no explica por qué dos objetos con ángulos de capilaridad diferentes (tu $\theta$) se atraen o se repelen entre sí. Ese es un efecto de curvatura que no tienes en cuenta.
El efecto se debe únicamente a la ascensión o descenso capilar (un descenso también crea una fuerza atractiva). Si las dos placas tienen ángulos de contacto diferentes, la ascensión/descenso no sería dada por la ecuación que cito, pero seguiría habiendo una ascensión o descenso y seguiría existiendo una fuerza atractiva. La única forma en que no puede haber fuerza es si la ascensión capilar es cero, es decir, si el ángulo de contacto en ambas placas es $\pi/2$.
"el corcho es atraído hacia el lado del vaso, ya que minimiza la tensión superficial del agua" - la tensión superficial de la interfaz aire-agua es constante. ¿Quieres decir que la energía superficial se minimiza?
Creo que tanto la tensión superficial como la energía superficial son descripciones equivalentes de la minimización de la energía superficial en esta situación.
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¿Puedes describir lo que estoy viendo aquí? No me queda muy claro. ¿Qué es exactamente lo que quieres saber aquí?
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@Bernhard Esto es una bola de corcho en un vaso de agua
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¿Cuánto tiempo dura esto? ¿O solo sucede una vez y se repite el video? ¿Golpeas el vidrio? aparece una sombra
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@Anna - Estoy bastante seguro de que este es un video mostrado en un bucle repetido.
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@annav No hice nada, tal vez sea la sombra de mi mano.