Cuando tienes una bebida con un cubo de hielo y giras el vaso, el líquido parece girar pero el cubito de hielo permanece más o menos en el mismo lugar. ¿Por qué sucede esto?
Su afirmación de que hacer girar el vaso hace que también gire el líquido en su interior puede contener solo un grano de verdad y mucha ilusión óptica. Es extremadamente difícil ver el movimiento del agua o incluso solo la posición exacta de su superficie; especialmente con agua calmada, esta es una causa frecuente de aterrizajes mal juzgados para los pilotos de aviones marítimos o anfibios. Lo que percibimos son las formas, ondas y ondulaciones de la superficie del agua. Estas formas tienden a moverse de manera muy diferente al agua que las forma, porque el simple subir y bajar del agua puede dar la ilusión de una ola moviéndose hacia adelante (si el agua en frente comienza dicho movimiento ligeramente más tarde).
Lo que probablemente sucede es que una pequeña cantidad del giro que le das al vaso se transfiere al agua. Por lo tanto, ves alguna indicación de que está girando, lo que tu cerebro puede fácilmente confundir con que está girando con el vaso porque es tan difícil de distinguir (¿y qué otra velocidad de referencia visual probable hay?). El cubo de hielo, sin embargo, deja claro lo lentamente que está girando. Y muy probablemente gire con un momento angular aún más lento porque, también, debe ser acelerado primero por la cantidad limitada de fricción hidrodinámica.
¿Puedo proponer un experimento donde esparzas tu agua con pequeñas partículas lo suficientemente grandes como para verse como marcadores individuales? Quizás algunos pequeños trozos de papel podrían servir. Eso debería hacer que sea bastante obvio qué tan rápido está girando el agua en la superficie.
Si el líquido realmente estuviera rotando en el vaso, los cubitos de hielo también rotarían con él. Lo que estás viendo (probablemente) es la superposición de dos ondas resonantes perpendiculares que se mueven de un lado a otro, pero no están rotando. Así es como funciona:
Imagina que, en lugar de mover el vaso en un círculo, simplemente lo mueves de un lado a otro en dirección este/oeste. Esto haría que el líquido se mueva de un lado a otro. Las moléculas cerca del borde subirían y bajarían, pero no se moverían mucho de un lado a otro. Cualquier cubito de hielo flotante también subiría y bajaría, pero no se movería mucho de un lado a otro.
Ahora imagina que mueves el vaso de un lado a otro en dirección norte/sur (en lugar de este/oeste como antes). Obtendrías un resultado similar al anterior, con las moléculas (y cualquier cubito de hielo flotante) moviéndose principalmente de arriba abajo, con muy poco movimiento de norte a sur.
Ahora imagina que haces ambas cosas al mismo tiempo. Si sincronizas correctamente, la onda este/oeste alcanzará su punto máximo en el lado este; luego la onda norte/sur alcanzará su punto máximo en el lado norte; luego la onda este/oeste alcanzará su punto máximo en el lado oeste; y finalmente la onda norte/sur alcanzará su punto máximo en el lado sur. En otras palabras, el "pico" parecerá rotar en un círculo alrededor del perímetro del vaso, pero las moléculas (y el hielo flotante) siguen moviéndose principalmente de arriba abajo.
Este es el mismo fenómeno que produce la polarización circular en una onda electromagnética.
Me gusta mucho esta manera de ver la situación. ¿Qué causa el cambio de este comportamiento que describes a cuando el hielo comienza a seguir la rotación a una velocidad de rotación más alta?
@Zach Saucier: Si sostienes el vaso en tu mano y lo mueves en un patrón circular, en realidad no lo estás "girando", sino "trasladándolo". El patrón circular se puede pensar como superposiciones de traslaciones sinusoidales lineales norte/sur y este/oeste. Es cierto que, si lo haces con la suficiente fuerza, el líquido se aplana contra el costado del vaso y comienza a fluir alrededor del perímetro. De hecho, puedes hacer girar el hielo de esa manera. Pero para movimientos de menor amplitud, el movimiento del líquido (y del hielo) es principalmente hacia arriba y hacia abajo, con poca rotación.
Cuando revuelves los contenidos, todo en la taza gana velocidad angular incluidos los cubos de hielo. La aceleración centrípeta hace que los materiales menos densos se acumulen en el centro de rotación mientras que los materiales más densos se abren camino hacia el borde de rotación. Si la velocidad angular es lo suficientemente alta, este borde puede elevarse contra la gravedad, causando que la superficie del agua se curve en una parábola. Todo esto se aprovecha en el equipo de laboratorio conocido como la centrifugadora. Dado que el hielo es menos denso que el agua, tenderá a acumularse en el centro de una taza agitada.
De hecho, el hielo flotante no se acumulará preferentemente en el centro de un recipiente giratorio de agua, porque la masa del hielo es exactamente la misma que la masa del agua que desplaza. Si el hielo no estuviera flotando (es decir, si llenaras un recipiente cerrado completamente con agua y pusieras un poco de hielo, y giraras el recipiente), entonces el hielo se desplazaría hacia el centro como sugieres.
@DavidRose, ¿has hecho un experimento? El hielo flotante no es completamente equivalente a la misma masa de agua, ya que parte de la masa está por encima del nivel del agua.
@Jan Lalinsky; No, no he hecho el experimento. Pero otros sí lo han hecho. El hielo flotante (en realidad, cualquier objeto flotante) desplaza exactamente su propia masa en agua. Una forma de demostrarlo es flotar un poco de hielo en un recipiente y llenar el recipiente con agua hasta el borde. A medida que el hielo se derrite, podrías esperar que el agua se desborde del recipiente. Pero no lo hace. Dado que la masa del hielo no cambió cuando se derritió, y dado que el hielo derretido ocupó exactamente el mismo volumen que el hielo congelado desplazaba, puedes concluir que el hielo desplaza su propia masa en agua.
En resumen, el movimiento de un cubo de hielo en agua se retrasa en comparación con el movimiento del recipiente porque la viscosidad del cubo de hielo es significativamente mayor que la del agua circundante. Los efectos de la inercia pueden ser más fácilmente imaginados al simplificar los componentes a un cubo de hielo que se derrite lentamente sentado en un plato liso/plano. Si el plato se desliza rápidamente hacia el norte por una distancia X, entonces el cubo de hielo viaja algo menos de X. En ambos casos, el agua actúa como lubricante desacoplando el movimiento del recipiente del cubo de hielo.
El coeficiente de fricción entre el vidrio y el agua es lo suficientemente alto como para que al girar tu vaso, el agua se arrastre y comience a girar también.
Sin embargo, esto parece no ser el caso para el coeficiente de fricción entre el agua y el cubo de hielo. Por lo tanto, el agua no puede arrastrar el cubo de hielo consigo mismo (o no puede arrastrarlo tan bien como el vidrio arrastra al agua: tal vez si sigues girando lo suficiente, el cubo de hielo eventualmente comenzará a girar también).
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Cuando dices "twirl," ¿simplemente estás girando el vaso alrededor de su centro (es decir, ¿lo haces girar)? ¿O algo más complicado?
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@tpg2114 Sí, solo girándolo alrededor de su centro.
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Creo que esto primero solo induciría la superficie del agua a inclinarse, ya que está tratando de orientarse hacia la normal de la aceleración resultante. Sin embargo, el agua no está rotando al principio, al igual que los cubitos de hielo.