Cuando una gota de agua cae en el agua, ¿de dónde vienen las salpicaduras?

Cuando una gota de agua impacta en un 'charco' de agua de superficie líquida, podemos observar uno o más fenómenos:

• La gota 'rebota' y luego 'flota' en la superficie de la piscina.
• La gota 'se fusiona' en la piscina.
• La gota 'salpica' en la piscina, creando una 'corona' alrededor de un 'cráter'.

Lo que ocurrirá depende del tamaño y la velocidad de la gota. Específicamente, la colisión se puede caracterizar por la relación entre las fuerzas de inercia y la fuerza superficial, dada por el número de Weber (sin dimensiones),$We$define como:

dónde$\rho$es la densidad de la gota,$v$es la velocidad y$d$es el diámetro de la gota y$\sigma$es la tensión superficial de la gota de líquido.

Cuando el$We$está por encima de un umbral de$\approx 84$, el impacto se caracteriza como un 'chapoteo', por lo que se forma una 'corona' alrededor del cráter y una columna de agua se eleva desde el centro. 1

Para determinar si la gota original está presente en el agua 'recuperada', se tomaron una serie de fotografías en intervalos de tiempo sucesivos separados por 0,0003 s, utilizando una gota de 4,83 mm de diámetro (con tinte de color) que se dejó caer desde una altura de 175 mm en un charco de agua transparente. El número en la esquina de cada foto representa el número de secuencia de la foto (a intervalos de 0,0003 s).

Como se puede ver en estas fotos, el tinte de color está presente en los chorros de agua que rebotan en la superficie del agua transparente de la piscina. Sin embargo, no toda el agua en los chorros proviene de la gota de color. Parte de la gota original queda atrapada en un bolsillo debajo de la superficie, y los 'chorros' que rebotan tienen un 'recubrimiento' del material de la gota original. La forma en que sabemos esto es porque en el experimento, la gota de color se hizo con agua mezclada con azul de timol, un indicador que es de color naranja oscuro en un pH de neutro a ácido. El agua de la piscina contenía 0,1 % de carbonato de sodio (álcali), que es de color transparente, pero cuando se combinan los dos, la mezcla se vuelve de color azul.

Se puede obtener una visión fascinante del fenómeno examinando algunas secuencias de video de alta velocidad.

Si mira este video de alta velocidad , verá que cuando la gota de agua cae al agua, ¡parece rebotar!

Un ejemplo aún mejor del fenómeno de 'rebote' se puede encontrar en este video , cuando la gota se libera suavemente desde cerca de la superficie del agua, parece que después de que la gota se 'aglutina' en el agua, parte de ella ' rebota como una gota más pequeña, que luego vuelve a caer y flota en la superficie del agua.

La explicación ofrecida es que una capa de aire queda atrapada debajo de la gota cuando golpea la superficie del agua. Parte del agua en la gota se une a la piscina por la tensión del agua, liberando una gota más pequeña.

Cuando la gota entra en el agua, empuja el agua del depósito fuera de su camino (esta acción consume la energía de la gota, lo que hace que disminuya la velocidad y se detenga). Cuando la gota ha pasado, deja aire detrás de ella (un efecto de estela). El agua del embalse que bordea esta estela luego se mueve desde todos los lados para llenar el vacío. Cuando el agua de lados opuestos se encuentra en el medio, debe disipar la energía en la colisión. No puede moverse hacia los lados o hacia abajo, porque ya hay agua allí, por lo que 'rebota' hacia arriba.

En la imagen, se puede ver la gota original en el fondo del agua perturbada y el 'remolino' por encima de ella.