Bien, esta es probablemente una pregunta estúpida, pero aquí va:
Sabemos que las moléculas en un líquido son atraídas por todas las moléculas que lo rodean, por lo que no hay atracción neta. Bueno, entonces, ¿cómo existen las moléculas en la superficie porque solo hay moléculas debajo y no arriba? ¿No acelerarán hacia abajo?
Además, ¿tiene esto algo que ver con la tensión superficial? Si es así, ¿no es entonces la tensión superficial una fuerza que actúa a lo largo de la superficie y no dentro o fuera de ella?
No aceleran hacia abajo porque la fuerza de atracción se equilibra con la fuerza de repulsión. A mayor distancia las moléculas se atraen, a menor distancia se repelen. La fuerza de repulsión se debe al principio de exclusión de Pauli.
La respuesta corta es que hay moléculas sobre la superficie de un líquido. ¡Es el ambiente! Está la presión atmosférica, que es la innumerable cantidad de colisiones que el nitrógeno, el oxígeno y otras moléculas forman el aire que choca con el líquido, empujándolo hacia abajo. Si no tiene una atmósfera, por ejemplo en el espacio exterior, el líquido abandonará inmediatamente el recipiente porque no hay fuerza que mantenga las moléculas en el recipiente. ¿De dónde viene esta fuerza hacia abajo? Véase el párrafo siguiente.
También está la gravedad. Esto hace que todo se acelere hacia abajo, donde abajo es la dirección que apunta desde la superficie de la Tierra hasta el centro de masa de la Tierra, que está en algún lugar cerca del centro de la Tierra.
Tiene algo que ver con la tensión superficial. Cuando pensamos demasiado exacto, llegamos al problema de pensar que si solo hay una fuerza horizontal, ¡entonces no hay forma de que haya una fuerza vertical! Este es el problema de idealización que estás experimentando. Realmente, hay un componente que actúa verticalmente, porque la superficie de un líquido no es exactamente plana.
Cuando las moléculas se acercan lo suficiente entre sí, la fuerza neta entre ellas se vuelve repulsiva. Puedes pensar en esto simplemente como las moléculas chocando entre sí; en la medida en que tenga sentido hablar de colisiones entre cosas como moléculas, eso es básicamente lo que está sucediendo.
Esto puede o no estar directamente relacionado con el tema, pero creo que sí. He notado que cuando se vierte una taza de café (especialmente con crema) y se agita, las burbujas son grandes o pequeñas. Las que giran en el centro desaparecen primero (? tirado o empujado por la tensión superficial). Mi observación es si si la presión barométrica es alta o está aumentando (buen tiempo) las burbujas son más grandes en el centro y la periferia (y permanecen en el centro por más tiempo) versus presión baja donde las burbujas son más pequeñas y desaparecen del centro más rápidamente al igual que las burbujas más pequeñas en la periferia. En otras palabras, la presión barométrica aumenta o disminuye la tensión superficial y, posteriormente, el tamaño de las burbujas y su posición en la superficie del fluido. Esto puede estar totalmente equivocado, pero dicen que "no hay preguntas estúpidas"... ¡No estoy seguro de estar de acuerdo!
¿Cómo existen las moléculas en la superficie porque solo hay moléculas debajo y no arriba? ¿No acelerarán hacia abajo?
Podrías hacer la misma pregunta para la superficie de la tierra. ¿Por qué no está implosionando? La respuesta es "mecánica cuántica". Cuando uno habla de moléculas y átomos, tiene que hablar en términos de mecánica cuántica.
Los átomos existen porque los electrones orbitan alrededor de ellos en órbitas cuantizadas muy específicas que pueden distorsionarse cuando entran nuevas fuerzas, pero necesitan mucha energía para ser destruidas, que la gravedad no proporciona, como una fuerza muy débil. Todas las interacciones en líquidos, sólidos y gases entre átomos y moléculas son electromagnéticas, aunque los átomos y las moléculas sean neutrales, porque hay un desbordamiento de campos electromagnéticos debido a la forma de las órbitas electrónicas de los átomos /moléculas. Los campos de derrame pueden ser atractivos y crear la coherencia de las moléculas y explicar la creación de sólidos. En los líquidos, estas fuerzas de atracción se derraman y crean tensión superficial y el nivel horizontal (en realidad, la superficie de la esfera con el radio del centro de la tierra) del líquido.
Cuando las fuerzas externas se vuelven grandes, las órbitas de los electrones comienzan a jugar con sus campos eléctricos negativos que se repelen entre sí; también el principio de exclusión de Pauli asegura que solo un electrón puede estar en una órbita, por lo que al comprimir se encuentran fuerzas de resistencia.
Para una superficie líquida, la compresión proviene de la fuerza de la gravedad, como explica @QEntanglement, el peso de la columna de aire sobre el líquido.
Selene Routley
Apoorv Potnis