¿Cómo puede existir la superficie de un líquido si no hay moléculas atrayentes encima?

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?

Todo tiene que ver con la tensión superficial. La página de Wikipedia ofrece una muy buena descripción, especialmente en "física básica". Además, dado que eligió la respuesta de AnnaV como correcta, presumiblemente cree que vale la pena votar, lo cual puede hacer.
Consulte este documento de Sir Michael Berry: iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/6/2/001/pdf

Respuestas (5)

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.

Entonces, ¿la tensión superficial tiene algo que ver con esto?

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.

Pero, ¿no están esas innumerables colisiones ejerciendo una fuerza hacia abajo? Por lo que puedo ver, todas las fuerzas que actúan sobre la superficie empujan las moléculas hacia abajo: la atmósfera, la gravedad y las demás moléculas. ¿Qué proporciona la fuerza hacia arriba?
La fuerza hacia arriba es proporcionada por la 3ra Ley de Newton. "Por cada acción hay una reacción igual y opuesta..."
Sí, pero la fuerza hacia arriba actúa sobre la agencia que proporciona la fuerza hacia abajo y no sobre el cuerpo sobre el que se actúa.

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.

¿Qué quiere decir con 'nivel horizontal (en realidad, la superficie de la esfera con un radio al centro de la tierra) del líquido'? ¿También la tensión superficial tiene algún papel que jugar aquí?
Si resuelve correctamente la fuerza gravitatoria, un líquido formará una curva porque seguirá la superficie de una esfera, la solución a la ecuación gravitatoria. Recuerda "los barcos desaparecen en el horizonte porque el océano no es plano horizontal sino que sigue la curvatura de la tierra". La tensión superficial mantiene las moléculas en la superficie, en lugar de que salgan volando. Es el sobrante desequilibrado de las fuerzas moleculares lo que forma el líquido. En el espacio sin campo gravitatorio, el líquido formaría una bola debido a la tensión superficial.
Pero esto no sigue en general, ¿verdad? En una piscina, el agua es plana y el océano no es plano porque el mismo suelo sobre el que se encuentra es curvo. Y para la tensión superficial: ¿no actúa horizontalmente y no perpendicularmente a la superficie del líquido? Entonces, ¿cómo puede tener algún efecto?
todas las superficies líquidas tendrán una pequeña curvatura siguiendo la atracción gravitacional de la tierra. En pequeños volúmenes, esto no se puede medir y, a todos los efectos, es plano. La superficie está formada por la presión del aire por encima y la cohesión debida a la tensión superficial. La tensión superficial no contrarresta la presión desde arriba, es la mayor parte del líquido la que lo hace. Su efecto aparece en los bordes del envase.
Por ejemplo, puede llenar un vaso que gotea agua lentamente por encima del borde del vaso, donde la tensión superficial hace una curvatura, reteniendo el agua. Vea mi respuesta aquí physics.stackexchange.com/questions/45068/…
Déjame intentarlo de nuevo: hay fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido. Estas son fuerzas electromagnéticas que se derraman y son atractivas. Un volumen de líquido en un entorno libre de gravedad se acumulará en una esfera debido a estas fuerzas. En la superficie de esta esfera llamamos a estas fuerzas una "tensión superficial". Es el resultado de las fuerzas de atracción inherentes que crean un líquido y su dirección vectorial dependerá de las condiciones de contorno del problema.
De acuerdo, pero en el caso de superficies líquidas planas, ¿la tensión superficial tiene algo que ver con esto? Solo está aplicando fuerzas horizontalmente.
Creo que deberías leer el artículo de wiki para ampliar tus sentimientos sobre qué es la tensión superficial en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension
Entiendo lo que dijiste antes, es solo el hecho de que algo que no aplica ninguna fuerza vertical puede tener un efecto en esto. Una de las respuestas dice que tiene un efecto porque la superficie del líquido no es plana, y por eso pregunto si hay algún efecto en el caso de superficies planas.
Piensa en una mesa plana. ¿Por qué no implosiona? Porque las fuerzas cohesivas en la superficie reaccionan con una fuerza igual y opuesta a la presión de la columna de aire de arriba. La cohesión no permite que el sólido se rompa porque las fuerzas cohesivas horizontales son lo suficientemente fuertes como para sostener pesos de hierro. En un líquido, los pesos de hierro se caerán porque las fuerzas cohesivas de la tensión superficial no son lo suficientemente fuertes para reaccionar a la fuerza perpendicular. La cohesión en el líquido es horizontal, pero la interacción inversa de un peso en la superficie es vertical.
Gracias, creo que ahora lo entiendo. Cada vez que la superficie se "dobla" un poco debido a la presión, la tensión superficial asegura que la superficie no se rompa, porque cuando la superficie se dobla, también tiene un componente vertical para contrarrestar la presión. De todos modos, todas las respuestas fueron igualmente buenas, pero elegiré la tuya porque te tomaste el tiempo de explicarme cómo afecta la tensión superficial.