Cuando bebo con pajita, ¿la presión atmosférica empuja el agua o yo la succiono?

Esas son solo formas diferentes de nombrar la misma cosa. En última instancia, es la presión atmosférica la que empuja el líquido hacia arriba, pero normalmente la atmósfera no haría eso: la razón por la que el agua se mueve es porque creaste una zona de baja presión en tu boca que permitió que la presión atmosférica empujara el agua hacia arriba. Si define la succión como la creación de una zona de baja presión para mover líquidos o gases, entonces ambas opciones son correctas: usted succiona el agua y la atmósfera la empuja hacia arriba.

Es la presión atmosférica que lo empuja. En el vacío, si intentaras chupar una pajilla, no sucedería nada (ni siquiera serías capaz de chupar). O si sellaras un recipiente rígido para que la única abertura fuera la pajilla tampoco pasaría nada. Rígido para que la presión atmosférica no pueda deformar el recipiente al interactuar con el líquido del interior.

Su pregunta es como preguntar: "Si saco agua de una piscina y fluye más agua a su alrededor para llenar su lugar, ¿soy yo sacando agua lo que hace que el agua fluya? ¿O el peso del agua que queda en la piscina?"

En ambos casos, su acción provocó un desequilibrio en la presión, pero el flujo mismo es causado por la presión. Si la fuente de presión no está allí, ya sea la gravedad o la presión atmosférica, tus acciones no servirán de nada.

Si y no.

Para beber de/con una pajilla, primero debe hacer un sello hermético con la boca alrededor de la pajilla.

Luego usa los músculos de su diafragma y posiblemente la caja torácica para expandir su cavidad torácica. Esto reduce la presión dentro de tus pulmones, por lo que llevar a cabo esta expansión requiere que hagas un trabajo contra la presión atmosférica. Esta energía se almacena en la presión pulmonar reducida.

Entonces, la presión en la parte superior del líquido en la pajilla es menor que la presión de la atmósfera en la superficie libre del líquido en la botella/vaso. Entonces, el exceso de presión atmosférica trabaja sobre el líquido, lo que obliga a que el líquido se eleve en la pajilla. Si la pajita es lo suficientemente corta o tu diafragma es lo suficientemente potente, el nivel del líquido llega a tu boca y ¡Ta-da!

Por cierto, también necesita sellar sus fosas nasales (¡internamente!) o aspirará aire por la nariz, no líquido a través de la pajilla.

La presión atmosférica es el resultado de colisiones elásticas entre moléculas, por lo que las moléculas rebotan o se "empujan" entre sí. Cuando bebes de una pajilla, es como un tira y afloja inverso donde ambos lados empujan en lugar de tirar. Antes de comenzar a succionar, el aire dentro y fuera de la pajilla tienen la misma presión: ambos lados "empujan" con la misma fuerza y ​​el líquido en la pajilla no se mueve. A medida que chupa la pajilla, reduce la presión dentro de la pajilla, lo que significa que no empuja el líquido con tanta fuerza. Las fuerzas sobre el líquido ahora están desequilibradas ya que el aire fuera de la pajilla empuja más fuerte que el aire dentro de la pajilla, forzando al líquido a subir por la pajilla.

La presión del aire surge debido a los "empujes" entre las moléculas. Una aspiradora no "succiona"; tenga en cuenta que literalmente no hay nada allí que dé lugar a una fuerza de succión. Más bien, es la presión del fluido la que siempre está empujando, y si no hay suficiente fuerza que empuje hacia atrás, puede ocurrir un movimiento debido a las fuerzas desequilibradas.

Imagínese si en lugar de succionar a través de la pajilla, en su lugar, sopla: la presión del aire ambiental alrededor del vaso no cambia repentinamente de una fuerza de empuje a una fuerza de tracción. En cambio, la fuerza de empuje alrededor del vaso es simplemente superada por una fuerza de empuje aún mayor dentro de la pajilla. Pero si la presión en un área es más alta o más baja que en otra, no cambia la naturaleza de la fuerza de presión. Aunque la presión es fundamentalmente una fuerza de empuje, se requiere succión de la boca para desequilibrar la presión, razón por la cual el agua no se empuja espontáneamente por una pajilla.

Es la presión atmosférica. Esto tiene una consecuencia experimental: la succión no puede elevar el agua más de unos 10 metros. Esto se debe a que la presión en el fondo de una columna de agua de 10 metros con el vacío encima coincide con la presión atmosférica, por lo que la atmósfera no puede empujarla más alto.

Esto se sabía en la época de Galileo, y él intentó explicarlo , pero no lo hizo bien.

Esta pregunta es como preguntar "Cuando una pelota cae, ¿se está alejando del nivel más alto o se está moviendo hacia el nivel más bajo? ¿Se mueve porque el nivel más alto es más alto o porque el nivel más bajo es más bajo?" Es lo mismo, ambos niveles (presión atmosférica y pulmonar) son igualmente importantes. Es su diferencia lo que impulsa el flujo (de pelota o aire), no solo el valor en un punto u otro. Si tienen valores diferentes, habrá un gradiente, y las cosas tienden a fluir en pendiente descendente. Este es un fenómeno universal con muchos ejemplos: gradiente de presión (movimiento de fluidos), gradiente de energía gravitacional (caída de objetos), gradiente de potencial eléctrico ("voltaje", flujo de electricidad), gradiente de concentración (difusión/partículas moviéndose en un fluido), etc. . Así que chupar y empujar son dos caras de la misma moneda, y la moneda (flujo de fluido) no existiría sin dos caras. Es mejor pensar en él no desde un lado u otro (succión pulmonar o presión atmosférica), sino como un movimiento neto creado por un gradiente/diferencia de presión, que es una propiedad de cómo el par de puntos se relacionan entre sí .

Lo que tradicionalmente se considera chupar simplemente no existe, al menos en la forma en que la mayoría de la gente lo piensa ingenuamente. Quitando la pajilla, la situación es idéntica a lo que sucede cuando tomas una gran bocanada de aire y tu pecho/pulmones se hinchan. La mayoría de la gente probablemente diría que esto se debe a que está aspirando aire y ese aire está causando que sus pulmones y su pecho se expandan. Esto es incorrecto. La relación causal se invierte, por lo que creo que ver empujar y tirar como lo mismo que sugieren algunas respuestas no es realmente correcto: hay un tiempo claro que ordena lo que está ocurriendo. Primero, los músculos de su cuerpo hacen que sus pulmones se expandan, lo que crea un diferencial de presión y esta expansión* hace que el aire alrededor de su nariz/boca entre en su cuerpo para que sus pulmones tengan la misma presión que el aire exterior. Nada está siendo jalado, las moléculas de aire están siendo empujadas hacia ti por otras moléculas de aire. La única diferencia entre esto y beber a través de la pajita es que el fluido en cuestión es agua y no aire, aparte de que nada cambia conceptualmente.

*una simple aplicación de la ley de los gases ideales, PV=nRT. El lado derecho de la ecuación no cambia, por lo que un aumento de volumen corresponde a una disminución de la presión dentro de los pulmones.

Es la atmósfera empujando la superficie del líquido. La energía transferida al líquido es igual al volumen desplazado multiplicado por la presión del aire ambiente.

Sin embargo, no obtienes esta energía gratis. Cada julio que obtienes de la atmósfera tienes que devolverlo a la atmósfera empujando alguna parte de tu cuerpo contra ella. Si estás chupando con la boca sellada de tus pulmones, es la parte inferior de tu barbilla empujando contra la atmósfera. Si estás succionando con tus pulmones, es tu pecho y abdomen. De cualquier manera, es la atmósfera en contacto con tu cuerpo contra la que estás luchando cuando chupas. Ahí es donde va la energía.

Chupar la pajilla reduce la presión en la parte superior de la pajilla, lo que permite que la presión atmosférica (más la presión del peso del líquido en la parte inferior de la pajilla) cree la fuerza suficiente para empujar el líquido de la pajilla hacia la boca.

Modelo hidrostático 

Para simplificar, consideramos una pajilla vertical con una punta en profundidad$h$debajo de la superficie del líquido y el nivel de líquido dentro de la pajita alcanzando la altura$H$(medido desde la punta sumergida). Esta columna de líquido tiene peso$\rho g H A$, dónde$A$es el área de la sección transversal de la paja; la fuerza que actúa sobre él desde el fondo es proporcional a la presión en la profundidad$h$:$(\rho g h + P_{atm})A$, mientras que la fuerza que lo empuja desde arriba es dada por la presión creada por la inspiración del aire en la paja:$AP_{insp}$. El equilibrio de fuerzas se escribe así como

La altura máxima a la que se puede aspirar un líquido por inspiración (es decir, inhalando/aspirando aire) es

Estimados 

Ahora podemos hacer las estimaciones: 

• La presión atmosférica es de 1atm, correspondiente a una columna de agua de 1033 cm

• La presión inspiratoria máxima (PIM) , es decir, la presión máxima creada por la inhalación, es de unos 130 cm de agua para los hombres y unos 100 cm de agua para las mujeres. 

En nuestro caso, el MIP en realidad corresponde a la diferencia$P_{atm}-P_{insp}$- es decir, se puede succionar agua o un líquido similar a través de una pajita de aproximadamente un metro de largo.

Más observaciones 

• Uno puede succionar repetidamente, creando efectivamente vacío en la boca. En este caso la longitud máxima de la paja está limitada por la presión atmosférica, es decir unos 10 metros. Algunas páginas de Internet informan que realmente verificaron esto experimentalmente, como parte de la clase de física.

• En la práctica, la situación rara vez es estática, por lo que se podría intentar hacer una corrección utilizando la ley de Bernoulli, lo que significa que, una vez que el líquido sube por la pajilla, la presión necesaria para mantenerlo en movimiento es menor que en el caso estático.

• Efectos capilares/de tensión superficial: uno puede observarlos mirando hacia abajo en una pajilla. El líquido sube aproximadamente un milímetro, por lo que la fuerza asociada es demasiado pequeña para que el diámetro de una pajita típica tenga alguna importancia.