El Misterio de la Moneda Suspendida en Agua

Muy buenas! 

Hoy vamos hablar de la tensión superficial. Comencemos con una imagen:

Moneda posada sobre la superficie del líquido

¿Por qué pasa esto? Os aseguro que no es ningún truco, la moneda es real (de metal, como cualquier peseta antigua) y el agua es totalmente corriente. Tampoco hay que tener ningún tipo de habilidad especial para colocar la moneda de esa manera. Eso pasa porque “la ciencia lo permite”. La tensión superficial es la encargada que aguantar la moneda en la superficie del agua. Habréis escuchado muchas veces lo de la tensión superficial, parece que si hay agua de por medio en algún fenómeno, la tensión superficial estará implicada. Y lo cierto es que la tensión superficial del agua es enorme y gracias a ella, se dan sucesos curiosos como este. Sé que muchos de vosotros no os lo creéis, que es un truco, así que a lo largo de este post intentaré convenceros.

Lo primero es definir la tensión superficial: es la energía que hay que aportar a un líquido para aumentar su superficie. Es decir que la superficie de cualquier líquido presenta una resistencia a ser deformada. El hecho de que el agua forme gotas es debido a la tensión superficial, ya que la tensión superficial tiende a disminuir el área y la esfera es la forma geométrica que presenta un mayor volumen por unidad de superficie.

A mí siempre me ha resultado difícil entender esa definición e interpretarla, así que para entender bien este fenómeno, echemos un vistazo a nivel molecular. La siguiente figura representa moléculas de agua:

Cada círculo representa una molécula de agua y las flechas negras representan fuerzas. Como todos sabemos, el agua es líquida y lo es porque existen fuerzas que mantienen las moléculas unidas, y eso es precisamente lo que representan las fechas: las fuerzas que unen moléculas. En el seno del líquido, cada molécula presentan fuerzas en todas las direcciones, resultando una fuerza neta de cero. En la superficie del líquido, al no haber moléculas por encima, sólo existen moléculas a los lados y hacia abajo y esto hace que las moléculas se mantengan unidas unas a otras y hacia abajo. Si quisiéramos sacar una molécula de la superficie, la tensión superficial ofrecería una resistencia, si quisiéramos “empujar las moléculas hacia dentro” también ofrecería una resistencia. En general, cualquier cambio que aumente la superficie del líquido, la tensión superficial se opondrá.

Veamos con ayuda de un dibujo, qué pasa a nivel molecular cuando coloco la moneda encima del agua:

Al colocar la moneda encima de la superficie, los enlaces de las moléculas se estiran sensiblemente, pero se mantienen unidas. Esas fuerzas son los suficientemente fuertes para aguantar el peso de la moneda sin romperse. ¿Realmente son lo suficientemente fuertes para aguantar el peso? Pues veámoslo con "números".

La tensión superficial del agua a 20⁰C es 0,073 N/m(ó J/m) y la tensión, en este caso para la generada por la moneda, tiene la siguiente expresión:

ϒ=Tensión, N/m

F=Fuerza peso (que es función de la masa de la moneda), N

l=perímetro de la moneda, m

ΔX=Desplazamiento ocasionado hacia abajo en la superficie del agua, m

ΔS=Superficie de la deformación ocasionada, m²

Es posible calcular la tensión que ocasiona la moneda en la superficie del agua. Para ello, hay que tener en cuenta las siguientes características:

·         La moneda pesa 1,16 gramos así que si multiplicamos por la fuerza de gravedad tenemos la fuerza peso:

·         El desplazamiento vertical que genera la moneda al posicionarse en el agua es de 2 mm

·         La superficie del agua deformada que se produce al posicionarse la moneda en el agua se calcula teniendo en cuenta, el perímetro de la moneda y la geometría de dicha deformación. Haciéndolo de la manera más exacta posible (pero siempre cometiendo algún tipo de error al medir) es:

Con esto tenemos que la tensión superficial generada por la moneda es la siguiente:

Como veis, la tensión generada por la moneda es menor que la tensión superficial del agua, así que por tanto, el agua es capaz de aguantar la moneda en la superficie. 

Si se sobrepasa la tensión superficial del agua, por ejemplo con una moneda demasiado pesada, la moneda se hundirá. Para explicar cómo pasa esto, miraremos otra vez a nivel molecular

Si la moneda pesara demasiado, las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas de agua se romperían y dejarían paso a otras moléculas de agua del seno del líquido y muchas de estas se colocaría encima de la moneda, dejándola sumergida. Como la densidad de la moneda es mayor que la del agua, se hunde y se deposita en el fondo.

Para saber si la tensión superficial del agua es alta o baja tenemos que comprarla con otros fluidos.

Tensión superficial de distintos líquidos

Podéis ver que el agua tiene una tensión superficial mucho más alta que lo demás fluidos. En la naturaleza este hecho es muy importante. Por ejemplo hay animales que viven encima del agua, como este insecto que tantas veces hemos visto en un río o incluso en nuestra piscina:

Gerris lacustris

La imagen siguiente muestra un clip, que también se mantiene en la superficie del agua.

Clip posado en agua

Me gusta esta imagen, porque se ve como la superficie del agua se deforma hacia dentro, como si se tratase de una cama de algodón súper blanda. Al igual que el clip o la moneda otros muchos objetos pueden flotar, alfileres, cuchillas de afeitar, ciertas arandelas…

Os animo a que lo intentéis en casa, podéis intentarlo con una moneda. Si después de varios intentos, la moneda no se queda en la superficie del agua, no os extrañéis, porque la moneda seguramente será muy pesada. También podéis probar con clips o alfileres, que nunca dan fallo (utilizad un tenedor para ayudaros).

Y con esto doy por finalizado el post. Espero que os haya quedado un poco más claro lo que es la tensión superficial y cómo funciona. Espero vuestros comentarios, sugerencias, preguntas y cualquier apunte.

Un saludo! Gracias por leer!!

Fuentes:

es.wikipedia.org

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.htm
www.flickr.com