¿Por qué el fluido dentro de un globo de agua continúa moviéndose incluso cuando el globo que se está tirando se ha detenido?

¡La mecánica de fluidos es divertida!

El primer párrafo de Nambiar es clave, así que lo citaré (con la atribución adecuada)

Esto es una consecuencia de la primera ley de Newton. La primera ley de Newton establece que un objeto continuará moviéndose en línea recta a una velocidad constante a menos que una fuerza externa actúe sobre él.

En la mecánica de fluidos, si bien esta ley sigue siendo absolutamente cierta, es un poco más complicado ver lo que realmente sucederá porque los fluidos pueden cambiar de forma. Si en lugar de un globo de agua de goma que retiene el agua, tuviéramos un resorte que retiene algo sólido como una bola de boliche, el resultado no sería sorprendente. En ese caso, esperaríamos que, una vez que el resorte dejara de moverse, tomaría algún tiempo para que la bola de boliche fuera detenida por ese resorte, y el resorte se comprimiría (si el resorte estaba frente a la bola) o se estiraría. (si el resorte estaba unido detrás de la bola). Exactamente el mismo efecto está ocurriendo con el agua y el globo, solo está oscurecido por el movimiento más complicado que puede realizar un fluido.

La otra clave para esto es aclarar una suposición, "...la fuerza que se aplicó a cada uno (la piel del globo y el agua) fue aproximadamente igual..." Si realmente lo miras ,nunca aplicó una fuerza al agua. Aplicas una fuerza al exterior del globo (en un intento de detener el globo+agua), pero nunca aplicas directamente una fuerza al agua. El globo aplica la fuerza al agua. Es un intermediario. En muchos casos, este es un detalle menor porque no cambia el resultado. Sin embargo, en este caso, cambia el resultado porque el globo es elástico, puede estirarse bajo la fuerza. Si el globo no fuera elástico (¿quizás estaba hecho de fibra de carbono?), entonces el comportamiento del sistema sería exactamente el que esperas: aplica fuerza para detener el globo, inmediatamente detiene el globo y el agua.

Por cierto, esa parada inmediata del agua tiene un nombre: golpe de ariete. Puedes escucharlo en muchas casas (especialmente en las antiguas) cuando abres el agua en un baño y luego lo cierras repentinamente. Mientras el agua fluía, tenía impulso. Cuando de repente cierras el grifo, el agua no tiene adónde ir, pero todavía tiene impulso. Choca contra las tuberías por las que estaba fluyendo (a menudo moviéndolas visiblemente), haciendo un fuerte ruido de "estallido" y ¡potencialmente dañando las tuberías! ¡Gracias a Dios que nuestro globo es más amigable que eso!

Entonces, con nuestro globo elástico, tenemos que usar las leyes que rigen el funcionamiento de los materiales elásticos. La cantidad de fuerza que pueden ejercer es proporcional a qué tan estirados están. Entonces, en el momento en que detienes el globo, no puede ejercer mucha fuerza; apenas se estira lo suficiente como para contener el agua en su interior. En consecuencia, si bien es posible que pueda aplicar una gran cantidad de fuerza para detener el exterior del globo, el globo no puede aplicar más fuerza en el agua de la que permite su nivel actual de estiramiento. Si esto no es suficiente para detener el agua (como en tu ejemplo), entonces el agua continúa avanzando, de acuerdo con la primera ley de Newton. Este movimiento estira el globo, lo que le permite ejercer más fuerza sobre el agua. Este proceso continúa hasta que el globo se estira lo suficiente como para reducir completamente la velocidad del agua hasta detenerse. (Entonces,

Lo que hace que el globo sea interesante es que el agua puede tomar cualquier forma que sea conveniente. Podría simplemente empujar hacia el lado frontal del globo de agua como una bola de boliche empujando contra un resorte . Sin embargo, resulta que esa no es la forma más eficiente de mover el agua. Debido a que el agua puede cambiar de forma, parte del agua cerca de la parte posterior del globo puede moverse hacia afuera. Aquí es donde la primera ley de Newton se vuelve interesante con respecto a los fluidos. Por la primera ley de Newton, el centro de masa del agua debe moverse hacia adelante a menos que una fuerza externa lo resista. Una forma de hacerlo es hacer que toda la gota de agua avance, pero otra forma es hacer que el agua comience a extenderse. Si la parte posterior del agua se mueve hacia adelante yhacia afuera, el centro de masa todavía se está moviendo hacia adelante, por lo que las leyes de Newton todavía se siguen obedeciendo.

Entonces, ¿qué forma toma el agua? Bueno, depende de cómo estés aplicando tu fuerza. Si tira de la cuerda hacia atrás para reducir la velocidad del globo de agua, la forma más eficiente (minimizando la tensión en el globo) será estirar el globo a lo largo hasta que el estiramiento sea suficiente para detener el movimiento del agua hacia adelante. Por otro lado, si dejaras caer el globo de agua sobre una superficie plana, veríamos un estiramiento diferente. El agua justo en el fondo del globo se detendría rápidamente (porque la fuerza se transmite fácilmente a través del globo hacia el agua), pero el agua detrás de él comenzará a "amontonarse", empujando el globo hacia los lados. Esto hará que el globo asuma una forma de panqueque hasta que se estire lo suficiente como para restringir este movimiento hacia afuera. (o, si el globo es demasiado débil, ¡explotará!)

Esto es una consecuencia de la primera ley de Newton. La primera ley de Newton establece que un objeto continuará moviéndose en línea recta a una velocidad constante a menos que una fuerza externa actúe sobre él.

A pesar de que la piel del globo se detiene, presumiblemente debido a las fuerzas de fricción, el agua no experimenta la misma fuerza y, por lo tanto, la inercia del agua hace que siga avanzando, hasta el punto de estirar el globo hacia adelante.