Flotabilidad

Sostenerse en la superficie de un cuerpo. En el aprendizaje de la natación es indispensable el dominio de la flotabilidad para conseguir una completa autonomía en el medio acuático y una confianza a si mismo.

Existen dos clases de flotación:

Dinámica: Se produce durante el desplazamiento en el agua, es decir mientras se nada, pero también es flotación dinámica cuando no existe desplazamiento y se aplican determinadas fuerzas, por ejemplo los nadadores de natación sincronizada.

Estática: Se produce cuando no existe movimiento en el agua. El principio de Arquímedes ayuda a explicar la naturaleza de la flotabilidad, “El cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimentan una fuerza ascendente igual al peso del líquido desplazado”.

A partir de este principio surgen tres tipos de flotación:

 Positiva
 Neutra
 Negativa

DIFERENCIAS DE FLOTABILIDAD

HOMBRE

Factores que determinan la flotación.

La densidad del agua. La densidad de un cuerpo esta relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotara sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, ambas sustancias se hundirán en la gasolina de densidad más baja.La densidad del agua dulce es de 1.000 kg/m³ y la densidad media del cuerpo humano es de 950 kg/m³ por lo tanto un individuo puede flotar con facilidad en el agua.Otro factor que afecta la densidad del agua es la temperatura, es decir cuanto más densa es y por lo tanto se flota mejor.

La densidad del cuerpo. El cuerpo humano puede alterar su densidad en función de la cantidad de aire albergada en sus pulmones, permitiendo que el peso del volumen de agua desalojado aumente o disminuya en relación al peso del cuerpo en su conjunto. En inspiración si el peso especifico es menor que el 1 el cuerpo flota, en cambio, en la espiración es peso específico es mayor que 1 por lo tanto el cuerpo no flota.

El sexo. Como todos sabemos la grasa flota sobre el agua, la composición media corporal de las mujeres contiene un porcentaje mayor de agua y de tejido adiposo acumulado de manera natural en pechos y caderas con respecto a los hombres. Por esta razón las mujeres flotan con capacidad que los hombres. La tendencia de los hombres es flotar menos que las mujeres porque su peso medio de músculos y huesos es superior.

La edad. La mayoría de los niños y jóvenes tienen una mayor dificultad a la hora de flotar debido a la escaseé relativa del tejido adiposo y el mayor peso de las piernas ocasionado por la musculatura.

La raza. La mayoría de las rezas negras tienen más masas ósea y mayor volumen muscular que la raza blanca, lo que encuentran una dificultad añadida para flotar.

La presión atmosférica. Las razones principales para la flotación consisten en que el cuerpo humano tiene su peso específico superior al agua. Este varía con la cantidad de aire que se tenga en los pulmones y según el peso de cada persona.

El somatotipo. Son las características físicas generales

Endomorfos: preponderancia de grasa, y poseen un abdomen protuberante (es el que mejor flota).

Mesoformos: poseen grandes masas músculo esqueléticas.

Ectomorfos: altos delgados y con reducida grasa corporal (mayor dificultad para flotar).

BUZO

El agua de mar es más densa que el agua dulce, por lo que 1 litro de agua de mar pesará más que 1 litro de agua dulce. Un buceador sumergido en agua dulce; sin embargo, puesto que el peso del agua de mar será mayor al de agua dulce, el empuje (o fuerza ascendente) será mayor en el primer caso que en el segundo. Por tal razón será más fácil flotar en el agua salada que en agua dulce. Asimismo, un buceador con mayor volumen desplazara mayor cantidad de agua que uno de menor volumen. Un buceador inmerso en el agua infla su chaleco compensados, lo que esta haciendo es aumentar su volumen, sin modificar su peso. Al aumentar su volumen aumenta también el volumen de agua desplazado, por lo que aumenta su empuje y adquiere flotabilidad positiva.

PECES

El Dr. Berenbrink investiga el mecanismo que permite a los peces flotar a diferentes niveles en el mar sin necesidad de acercare a la superficie del agua en busca de oxigeno.Es un sistema que permite a los peces mantener su vejiga natatoria llena de gas incluso a presiones elevadas en las profundidades del mar. Comprende un sistema de arterias y venas, así como una serie de proteínas de la sangre, que pueden desprender oxigeno incluso con elevadas concentraciones de gas.Algunos peces no tienen vejiga natatoria y otros simplemente la llenan tragando agua en la superficie del agua.Otros grupos de peces posee una vejiga natatorio cerrada que se infla a través de secreciones de gas aun cuando hallan bajo fuetes presiones de agua.

BARCOS

La respuesta de porque flotan los barcos nos la da el principio de Arquímedes.Flota porque a pesar de todo, su densidad total es menor que la de el agua.Un barco no es un bloque metálico macizo, sino es hueco por dentro, de esta manera su peso es inferior al de una cantidad igual de agua. Si la densidad del barco varia, cargándolo o descargándolo (la maza total varia pero el volumen sigue igual), el equilibrio de flotabilidad en el que se encuentra, se rompe, y se emergerá o se hundirá.En el caso de las embarcaciones, el empuje que experimenta el casco hacia arriba (fuerza que lo mantiene al flote) es igual al peso del agua desplazada. Si la embarcación fuera totalmente maciza, la densidad del material debería ser inferior a la del agua para asegurar la flotación (por ejemplo determinadas maderas). Sin embargo la totalidad de las embarcaciones son huecas por dentro (contienen aire, que es un fluido casi 800 veces más liviano que el agua), lo que desplazan un gran volumen de agua siendo su peso mucho menor.De esta forma pueden construirse buques de acero casi 8 veces más denso que el agua sin que se hunda.

SUBMARINOS

Todos los barcos, así como los submarinos en superficie, están en situación de flotación positiva, pesando menos que el volumen equivalente de agua (de acuerdo con el principio de Arquimímedes). Para sumergiese hidrostáticamente (sin ayuda mecánica), un decrementando el desplazamiento de agua (volumen). Para controlar su peso, los submarinos están equipados con tanques de lastre, que pueden llenarse don agua tomada del exterior o aire a presión.

Para sumergirse o emerger, los submarinos usan los tanques de proa y popa, llamados tanques principales, que abren y se llenan completamente de agua para sumergirse o se llenan de aire a presión para emerger. Durante la inmersión, los tanques principales suelen permanecer inundados, lo que simplifica su diseño, por lo que en muchos submarinos estos tanques son simplemente una sección del espacio entre los cascos. Para un control más rápido y preciso de la profundidad, los submarinos disponen de unos tanques de control de profundidad más pequeños, capaces de soportar presiones más altas. La cantidad de agua en estos tanques pueden controlarse tanto para responder a cambios en las condiciones exteriores como para cambiar la profundidad de inmersión. Dichos tanques pueden situarse cerca del centro de gravedad del submarino, o distribuirse por el buque para evitar afectar a la escora.

Diferencia de flotabilidad en agua dulce y salada.

El agua de mar es más densa que el agua dulce, por lo que un litro de agua de mar pesara más que un litro de agua dulce. Un buzo sumergido en el agua de mar desplazara igual cantidad de agua que el mismo sumergido en agua dulce, sin embargo, puesto que el peso del agua de mar será mayor al de agua dulce, el empuje (o fuerza ascendente) será mayor en el primer caso que en el segundo. Por tal razón será más fácil flotar en el agua salada que en agua dulce.Un ejemplo de la salinidad del agua: un mar en el que no se puede ahogar nadie. “Mar Muerto de Palestina”, sus aguas son extremadamente saladas, hasta tal punto que en él no pueda existir ningún ser vivo.

El clima caluroso y seco de Palestina hace que se produzca una evaporación muy intensa en la superficie del mar. Pero se evapora agua pura, mientras que la sal se queda en el mar y va aumentando la salinidad de sus aguas.Esta salinidad aumenta con la profundidad. Por lo tanto una cuarta parte del contenido del Mar Muerto está formada por la sal que esta disuelta en el agua. Sus aguas son mucho más pesadas que el agua de mar ordinaria. Unirse en esta agua es imposible. El cuerpo es más liviano que ellas.El peso de nuestro cuerpo es sensiblemente menor que el de un volumen de agua muy salada y, por consiguiente, de acuerdo con la ley de flotación, el hombre o se puede hundir en el Mar Muerto, al contrario, flota en su superficie lo mismo que un huevo en agua salada.

Con el siguiente experimento podemos hacer notar el efecto de Flotabilidad.

Materiales:

Vaso con agua

Cucharilla

Huevo crudo

Sal.

Procedimiento:

1. Llena el vaso con agua

2. Coloca el huevo en el vaso y comprueba que se va al fondo.

3. Saca el huevo del vaso y añade sal al agua hasta lograr lasaturación de la disolución. Coloca el huevo en el vaso y comprueba que flota.

4. Sin sacar el huevo del vaso añade agua lentamente.

Poco a poco el huevo se hunde. Puede lograrse que el huevo se quede flotando sin hundirse del todo en el interior del agua.

Explicación: Un cuerpo sumergido en un líquido experimenta dos fuerzas:

El peso: es la fuerza con que lo atrae la Tierra (depende de la masa del cuerpo).

El empuje: es la fuerza que hace hacia arriba el líquido (depende del volumen del cuerpo y de la densidad del líquido)Si el peso es mayor que el empuje, el cuerpo se hunde. En caso contrario flota y si son iguales, queda entre dos aguas. Al poner el huevo en el agua se hunde ya que su peso es superior al empuje.

Al añadir sal al agua, conseguimos un líquido más denso que el agua pura,lo que hace que el empuje que sufre el huevo sea mayor y supere el peso del huevo entoces en este caso el huevo flota.

De igual manera en el siguiente video podemos ver el comportamiento de algunos elementos cuando son sumergidos en diferentes liquidos.

http://es.youtube.com/watch?v=72HWjrLbJkk

CONCLUSIÓN

A través de esta investigación hemos intentado desentrañar las diferencias que existen entre algunos seres y/u objetos a la hora de flotar y la densidad del medio líquido en el que se desenvuelven.A partir de esto llegamos a la conclusión de que es posible flotar en cualquier medio líquido (agua dulce o salada) siempre y cuando el individuo o el objeto tengan una densidad menor al medio en que se desenvuelve. En este caso hablaríamos de una flotación positiva y por el contrario si el individuo presentara una densidad mayor al del medio en el que se mueve hablaríamos de una flotación negativa, pero igual logra permanecer flotando a través de movimientos o como algunos peces que flotan gracias a lo que se llama “vejiga natatoria”.

Este vídeo está rodado gracias a la existencia del hexafluoruro de azufre que es bastante más pesado que el aire hasta tal punto que permite que un barco de aluminio flote sobre él.El principio de Arquímedes permite explicar la flotación de este barquito. El barquito sufre un empuje hacía arriba igual al peso de hexafluoruro que desaloja. El peso del hexafluoruro desalojado es igual al peso del barco. Cuando el peso del barco aumenta (al introducir hexafluoruro dentro del mismo) se hunde.

http://www.youtube.com/watch?v=1PJTq2xQiQ0

Presion de Vapor

Grafico de la presión del vapor de agua.

La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado.

Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las Fuerzas de Atracción Intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.

Imaginemos una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases.

Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura.

El equilibrio dinámico se alcanzará más rápidamente cuanta mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión.

El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.

Experimentando la presión de vapor

Los estados de la materia

Actualmente se conocen cinco estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso, plasma y condensado de Bose-Einstein. De entre los dos últimos, el primero viene a ser algo así como un gas en el cual hallamos átomos ionizados y electrones libres, y el segundo es un estado muy especial que sólo se da a temperaturas extremadamente bajas. Los tres primeros son los que se nos enseñan en primaria, y en ellos encontramos partículas (átomos y moléculas) conformando los cuerpos de forma más o menos ordenada, según la energía que posean y las características de esas partículas.

Todas las partículas poseen una cantidad de energía que las hace vibrar, y que está relacionada con la temperatura: cuanto más energía tengan, cuanto más velozmente se muevan, mayor será la temperatura. Partículas con baja energía y capaces de formar enlaces muy estables formarán por lo general objetos sólidos. Subiendo la temperatura, es decir, añadiendo energía (de hecho, sabemos que cuando subimos la temperatura calentamos un cuerpo. El calor es un mecanismo de transferencia de energía, no una forma de energía, y no tiene sentido hablar del calor de un cuerpo, sino del calor que un cuerpo transmite a otro) las partículas vibrarán con más fuerza, y podrán romper algunos enlaces, de modo que se desparramarán como lo hace un líquido. Las partículas de un líquido no se mueven en él de forma solitaria: siguen existiendo enlaces, pero más débiles, que en ocasiones se rompen para formarse luego otros nuevos. Subiendo la temperatura de nuevo podemos transmitir a las partículas la energía necesaria para librarse de las demás, de modo que se moverán individualmente y se dispersarán como lo hace un gas.

A pesar de que las moléculas de líquidos y gases logran una libertad de movimiento superior a las de un sólido, no dejan de interaccionar entre sí. Se mueven desordenadamente, chocando constantemente entre sí y cambiando de ese modo la dirección en la que se desplazan. No es difícil imaginar como algunas de las moléculas de un líquido se moverán hacia fuera de éste, tal vez con el impulso proporcionado por algún choque. Algunas no llegarán muy lejos: impactarán contra alguna molécula del aire y retornarán al líquido, pero otras se fugarán y conformarán lo que se llama vapor. Si calentásemos el líquido, las partículas escaparían más fácilmente, al tener más energía, y si disminuyésemos la presión externa también, pues las moléculas de líquido no se encontrarían con tantas moléculas de aire que se opusieran a su escape.

Presión de vapor

Imaginemos ahora un recipiente herméticamente cerrado en cuyo interior se ha hecho el vacío. Introducimos entonces, a través de algún conducto por el cual no puede entrar aire, agua hasta la tercera parte, o la mitad. Debido a que, como hemos visto antes, siempre hay algunas moléculas del líquido que logran escapar, y puesto que no hay moléculas de aire que puedan interponerse, rápidamente comenzará a evaporarse el agua, de modo que la presión ejercida por el vapor crecerá rápidamente, y durante un corto periodo de tiempo, tras el cual se mantendrá constante. Esta presión podría ser medida si hubiéramos acoplado al frasco algún dispositivo diseñado a tal efecto, y sería la llamada presión de vapor del agua a la temperatura a la que se hubiera efectuado el experimento.

El hecho de que haya dejado de evaporarse líquido y de que la presión permanezca constante no significa, en contra de lo que pueda parecer a nivel macroscópico, que ya no ocurre nada en el sistema. En realidad se ha alcanzado un equilibrio dinámico, en el cual constantemente moléculas de vapor vuelven a caer al líquido, y moléculas de líquido escapan integrándose en el vapor. Por otro lado, el detalle de la temperatura es muy importante: como se explicó antes, a mayor temperatura, más energía, y cuanto mayor es la energía de las moléculas o átomos de gas, mayor será la presión que podrán ejercer, es decir, la presión de vapor. En el nivel del mar, la temperatura del punto de ebullición de un líquido es aquella necesaria lograr que su presión de vapor sea una atmósfera, que es la presión que ejerce el aire a ese nivel. A una gran altitud, la presión de vapor necesaria para la ebullición se situará por debajo de la atmósfera (pues el peso del aire es menor) y bastará con una temperatura más baja para lograrla.

Experimentando

Si ahora disolvemos un soluto no volátil en un líquido, sus moléculas dificultarán la evaporación de las del disolvente. Sin embargo, las moléculas de vapor no tendrán ningún problema para reintegrarse al líquido al mismo ritmo que lo hacían antes. De este modo, el equilibrio dinámico alcanzado antes, en el que había moléculas que escapaban y moléculas que volvían con la misma frecuencia, se rompe. Ahora son más las moléculas que vuelven que las que se van, de modo que la disolución tomará más vapor del que desprende, descendiendo así la presión de vapor hasta el punto en el que se restituya el equilibrio. Esto se puede comprobar realizando un sencillo experimento que hice en mi casa este verano: se toman dos vasos pequeños (yo usé dos minúsculas fiambreritas de plástico) y se llena uno de ellos hasta más o menos la mitad con agua (en mi caso utilicé agua de grifo), al que llamaremos A, y el otro con una disolución de agua y algún disolvente no volátil, al que llamaremos B. Yo usé una disolución saturada de sal de cocina, pero probablemente el azúcar sea una buena opción. Se hace una pequeña marca en el nivel de ambos y se colocan en un recipiente cerrado, tras lo cual deberemos esperar durante bastante tiempo para apreciar cambios; de hecho, la diferencia que se puede observar en la fotografía entre los dos recipientes que empleé no se alcanzó hasta pasado el mes y pico. Por otro lado, no es difícil darse cuenta de que la diferencia entre ambos no es la misma. Esto puede deberse a diversas imperfecciones del experimento, pero en cualquier caso se aprecia el resultado del fenómeno que se explica a continuación.

Lo que ocurre es que la presión de vapor del agua de grifo es superior a la presión de vapor de la disolución saturada y, por tanto, la concentración de moléculas de vapor necesaria para que A y B estén en equilibrio es distinta para ambos. Y tanto A como B intentarán que esa concentración sea la necesaria para mantener su propio equilibrio. Supongamos por un momento que la concentración moléculas de vapor tenga un valor intermedio al necesario para lograr el equilibrio de A y B. Que sea una concentración superior a la que necesita B e inferior a la que necesita A. Lo que hará A entonces será empezar a desprenderse de sus propias moléculas, para aumentar así la concentración. Sin embargo, al mismo tiempo, B estará absorbiendo moléculas de vapor, tratando de disminuirla. Poco a poco, el nivel de A irá bajando, pues se estará evaporando en sus esfuerzos por alcanzar el equilibrio, y B irá subiendo, pues no cesará de tomar moléculas con el mismo objetivo, moléculas que, en cierto modo, le cederá A.

Concursando en la tele

Podría servir la siguiente analogía para explicarlo: imaginad que estáis en uno de esos estúpidos concursos de la tele en los que se someten a los concursantes a ridículas pruebas que más bien parecen juegos infantiles con el aliciente de ganar un coche o un viaje con todos los gastos pagados. Os meten en un bidón de plástico que os llega hasta la cintura, lleno de unas pequeñas y pesadas bolas de plástico que representarían las moléculas de agua, y hacen lo mismo con vuestro adversario, al cual le sacáis unos cuantos kilos. Ambos bidones están sobre unas básculas que marcan el peso de estos. El peso podría ser análogo a la presión de vapor del experimento. Puesto que vuestro contrincante pesa menos, su presión de vapor será menor, de modo que él será la disolución saturada y a vosotros os habrá tocado el soso papel de agua de grifo.

Entre los dos bidones hay un enorme cuenco, en cuyo interior hay algunas bolas, de modo que pesa menos que vuestro dispositivo y más que el del otro, y tendréis que arrojar bolas dentro de él, o sacarlas, para lograr igualar el peso de vuestros respectivos bidones con el del cuenco. Estas bolas serían análogas a las moléculas de vapor, y su peso a la presión que ejercen sobre los bidones (que no se corresponde con sus respectivas presiones de vapor). Comienza la cuenta atrás, y mientras el público vocifera animando a su favorito y el presentador describe con frases inconexas el desarrollo de la prueba, utilizando un vocabulario limitado y vulgar, vosotros os dedicáis a descargar vuestro bidón de bolas para reducir el peso, arrojándolas al cuenco para aumentar el suyo. Pero vuestro ruin adversario coge las bolas del cuenco, para diminuir el peso de éste, y las introduce en su propio recipiente, para aumentarlo e intentar también equilibrar los pesos, de modo que poco a poco lo va llenando mientras vosotros véis como el vuestro se vacía.

Lo mismo ocurre con los dos vasos, A y B. Y si los dejáis el tiempo suficiente, varios meses, A se vaciará por completo y B tomará toda su agua, suponiendo que quepa. Es un experimento sencillo y, si realizáis el montaje con mimo, podéis dejarlo en un lugar visible a modo de elemento decorativo. Así que no tenéis excusas.

Para poder entender muchos fenómenos que suceden en la vida diaria hay que conocer lo que es la Presión de Vapor.

Para simplificar e ilustrar utilicemos el esquema que sigue:

En el dibujo se representa un recipiente cerrado, lleno parcialmente de un líquido (azul).

Este líquido como toda sustancia está constituido por moléculas (bolitas negras), que están en constante movimiento al azar en todas direcciones. Este movimiento errático, hace que se produzcan choques entre ellas, de estos choques las moléculas intercambian energía, tal y como hacen las bolas de billar al chocar; algunas aceleran, mientras otras se frenan.En este constante choque e intercambio de energía, algunas moléculas pueden alcanzar tal velocidad, que si están cerca de la superficie pueden saltar del líquido (bolitas rojas) al espacio cerrado exterior como gases. A este proceso de conversión lenta de los líquidos a gases se les llama evaporación.A medida que mas y mas moléculas pasan al estado de vapor, la presión dentro del espacio cerrado sobre el líquido aumenta, este aumento no es indefinido, y hay un valor de presión para el cual por cada molécula que logra escapar del líquido necesariamente regresa una de las gaseosas a él, por lo que se establece un equilibrio y la presión no sigue subiendo. Esta presión se conoce como Presión de Vapor Saturado.

La presión de vapor saturado depende de dos factores:

La naturaleza del líquido

La temperatura

Influencia de la naturaleza del líquido

El valor de la presión de vapor saturado de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos mas volátiles (éter, gasolina, acetona etc) tienen una presión de vapor saturado mas alta, por lo que este tipo de líquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrán a la misma temperatura, un presión mayor que otros menos volátiles. Eso explica porqué, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presión considerable en el interior, mientras que si el líquido es por ejemplo; agua, cuya presión de vapor saturado es mas baja, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente.

Influencia de la temperatura

Del mismo modo, habremos notado que la presión de vapor de saturación crece con el aumento de la temperatura, de esta forma si colocamos un líquido poco volátil como el agua en un recipiente y lo calentamos, obtendremos el mismo efecto del punto anterior, es decir una presión notable al destaparlo.

La relación entre la temperatura y la presión de vapor saturado de las sustancias, no es una linea recta, en otras palabras, si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicará la presión, pero si se cumplirá siempre, que para cada valor de temperatura, habrá un valor fijo de presión de vapor saturado para cada líquido.

La explicación de este fenómeno puede se basa en el aumento de energía de la moléculas al calentarse.

Cuando un líquido se calienta, estamos suministrándole energía.

Esta energía se traduce en aumento de velocidad de las moléculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas serán mas frecuentes y violentos.

Es fácil darse cuenta entonces, que la cantidad de moléculas que alcanzarán suficiente velocidad para pasar al estado gaseoso será mucho mayor, y por tanto mayor también la presión.

Punto de ebullición

El efecto de evaporación explicado hasta aquí; donde para cada valor de temperatura, se establece un equilibrio entre las moléculas que abandonan el líquido desde su superficie como gases y las que regresan a él para dar un valor presión, se cumple de igual modo aunque la naturaleza del gas que está estableciendo la presión sea otro diferente a los vapores del propio líquido.Veamos: supongamos que tenemos un líquido confinado a un recipiente abierto como se muestra, en este caso sobre el líquido actúa el aire a la presión de la atmósfera, si esta presión es mayor que la presión de vapor saturado del líquido a esa temperatura, la evaporación será muy lenta, y se deberá básicamente, a que siempre en el incesante choque entre ellas, alguna de manera esporádica, alcanzará la energía suficiente para pasar al estado gaseoso con la posibilidad de abandonar el recipiente, especialmente si hay alguna corriente de gases que la arrastre.

Si comenzamos a incrementar la temperatura del sistema, cada vez será mayor la cantidad de moléculas que lo abandonen y se irá incrementando gradualmente la evaporación.

Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presión de vapor saturado del líquido en cuestión, sea igual al valor de la presión atmosférica, la evaporación se producirá en toda la masa del líquido, se dice entonces que el líquido entra en ebullición (hierbe).

Si se ha comprendido hasta aquí podemos ahora definir el punto de ebullición como:

El valor de la temperatura para la cual la presión de vapor saturado de un líquido cualquiera, alcanza la presión a que está sometido.

Se puede deducir fácilmente que el punto de ebullición de un líquido dependerá de la presión a que esté sometido y será mas bajo para bajas presiones y mas alto para el caso contrario.

Este fenómeno se aprovecha en la práctica para muchas aplicaciones, algunas tan simples como la conocida olla a presión, y otras tan complejas e importantes como las grandes calderas de vapor, las máquinas refrigeradoras o la producción de aire líquido.

A continuacion mostramos un video de presion de vapor.

http://www.youtube.com/watch?v=F2waTZoqHOM

Cavitacion

Modelo de propulsor cavitando en un túnel de agua

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.

El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.

Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas.

Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasivada (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo).

El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la

ebullición.

La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor.

Para que la cavitación se produzca, las "burbujas" necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad.

El factor más determinante en cómo se produce la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación.

Problemas

Daño por cavitación de una turbina de Francis

La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento.

Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería naval durante el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.

En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.

El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice.

Además de todo lo anterior, la creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación.

La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.

Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies.

Bombas y hélices

Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga

Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.
Los álabes de un rodete de una bomba o de la hélice de un barco se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes. Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presión audibles y desgaste en los álabes.

La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes:

Cavitación de succión

La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es de nuevo comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno, esto origina el fallo prematuro de la bomba.

Cavitación de descarga

La cavitación de descarga sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. La elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga, a este fenómeno se le conoce como "slippage". A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno similar al que ocurre en un venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor. Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y álabes. Además y debido a la alta presión de funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a romperse el eje del rodete.

Plantas

La cavitación puede aparecer en el xilema de las plantas cuando el potencial del agua se hace tan grande que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la célula de la planta. Las plantas generalmente son capaces de reparar los daños producidos por la cavitación, por ejemplo con la presión de bombeo de las raíces, en otro tipo de plantas como las vides la cavitación puede llevarlas a la muerte. En algunos árboles la cavitación es claramente audible.

VIDEOS DONDE PODEMOS VER LA CAVITACION

http://www.youtube.com/watch?v=sDaUaf8he_s

http://www.youtube.com/watch?v=0oNZcLyCR_Q

http://www.youtube.com/watch?v=Hpr7QZO_68k

http://es.youtube.com/watch?v=gR0YBAhY2PQ

Bienvenidos

El equipo MECCIVIL RHPH les da la bienvenida al blogs de Mecanica de Fluidos en donde estaremos publicando unas series de trabajos, Experimentos y Reflexiones referentes a la materia de mecanica espero que les sirva como guia o ayuda.

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