¿Por qué un corcho flota hacia el lado de un vaso?

Es una combinación de dos efectos: flotabilidad y adherencia.

La flotabilidad levanta el corcho tanto como sea posible, hasta desplazar su propio peso de agua (principio de Arquímedes). Por ello, el corcho buscará el punto más alto del nivel del agua.

Debido a la adhesión entre las moléculas de agua y el vidrio, el nivel del agua es más alto en los bordes (el nivel del agua es cóncavo). Como resultado, el corcho se mueve hacia los lados.

Si llenas el vaso hasta el borde, el nivel del agua se vuelve convexo (debido a la tensión superficial) y el corcho permanecerá en el medio.

Vea también este sitio y este video de youtube .

Información extra

Por coincidencia, ayer surgió una pregunta muy similar en un programa de ciencia holandés, y descubrí que en realidad hay un nombre para este fenómeno: el efecto Cheerios . El nombre se deriva del hecho de que los objetos pequeños que flotan en un líquido, como las burbujas en el agua o los Cheerios en la leche, tienden a agruparse o pegarse a las paredes.

La razón es la misma que mi respuesta anterior: hay dos fuerzas que actúan sobre un objeto flotante: la flotabilidad (que trata de empujar el objeto fuera del líquido) y la tensión superficial (que trata de mantener el objeto en el líquido). El resultado es un compromiso, donde el objeto es empujado parcialmente fuera del líquido, causando que la superficie se deforme: forma una pequeña colina.

Los objetos flotantes cercanos se ven afectados por esta deformación: un objeto flotante busca el punto más alto en un líquido (la flotabilidad hace que se eleve y se mueva hacia arriba a lo largo de la superficie), por lo que se moverá hacia la 'colina' formada por el otro objeto. Por lo tanto, las burbujas (o Cheerios) se agruparán.

Un efecto similar sucede con objetos que son más densos que el líquido, pero no demasiado pesados, para que no se hundan gracias a la tensión superficial. Los clips de papel son un ejemplo. Estos objetos en realidad empujan hacia abajo el líquido, creando un pequeño "valle" en la superficie que los rodea. Pero tal objeto también buscará el punto más bajo de la superficie, lo que significa que los objetos densos cercanos volverán a ser atraídos entre sí. Así que los sujetapapeles también se agrupan.

¿Qué sucede cuando un objeto menos denso que el líquido (por ejemplo, un Cheerio) está al lado de un objeto más denso que el líquido (por ejemplo, un sujetapapeles)? El primero crea una colina y busca el punto más alto, el segundo crea un valle y busca el punto más bajo. ¡Entonces el resultado es que se repelerán entre sí!

Hay un artículo muy bueno que explica estos efectos con más detalle:

El 'efecto Cheerios' (Vella & Mahadevan, 2004) .

Lo que parece estar sucediendo es que los efectos capilares en presencia de la gravedad crean una situación en la que el corcho está descentralizado al máximo en el vaso y corresponde a una configuración de energía mínima.

Supongo que el corcho no se humedece y, por lo tanto, está rodeado por una superficie de agua que se dobla hacia abajo en la proximidad del corcho, lo que crea un aumento general mínimo del nivel de agua en el vaso. Con el corcho apoyado contra el borde del vaso, este aumento del nivel del agua se minimiza.

Si todo esto es correcto, el efecto debería desaparecer si se reemplaza el corcho por un material flotante mojado con agua.

Busqué la respuesta a esta en un libro publicado en 1914: ¡no obtienes muchas citas con 99 años! Para los interesados, el libro es "A Textbook of Physics Vol 1" de JH Poynting y JJ Thompson, página 188 en mi copia. Por cierto, ese es el mismo JJ Thompson que descubrió el electrón: Poynting tiene un vector que lleva su nombre, aunque es probable que solo los físicos hayan oído hablar de él.

De todos modos, suponga que tiene dos placas paralelas parcialmente sumergidas en un líquido. En nuestro caso una placa es la pared del vaso y la otra es el lado del corcho (no son exactamente paralelas pero es una aproximación razonable.

El líquido entre las placas se eleva debido a la acción capilar . La altura de la elevación viene dada por :

Dónde$\gamma$es la tensión superficial del fluido y$\theta$es el ángulo de contacto,$\rho$es la densidad del fluido y$g$la aceleración debida a la gravedad. Es el ascenso capilar lo que causa la fuerza de atracción entre las placas, o en este caso entre el corcho y el vaso de precipitados, pero la explicación de esta fuerza probablemente no sea lo que piensas.

Es tentador pensar que es la tensión superficial la que une las placas, pero Poynting muestra que la tensión superficial en los dos lados de cada placa siempre se equilibra, es decir, la tensión superficial no provoca una fuerza neta sobre la placa. El argumento para esto es sutil y no voy a reproducirlo aquí; consulte el libro de Poynting para conocer los detalles sangrientos.

La fuerza se crea porque la región de agua elevada entre las placas está a una presión inferior a la presión atmosférica, por lo que fuera de las dos placas la presión es de 1 atm pero en el fluido entre las placas la presión es inferior a 1 atm. El resultado es una fuerza neta que une las placas. Esta reducción de presión ocurre porque la curvatura del menisco en la parte superior del agua elevada ejerce una tensión sobre el agua, lo cual es obvio porque eso es lo que empuja el agua hacia arriba. La diferencia de presión promedio entre la película elevada entre las placas y la atmósfera exterior es simplemente:

Así que usando nuestra ecuación para$h$arriba obtenemos:

donde el signo menos indica que la presión es menor entre las placas.

Entonces siempre hay una fuerza de atracción entre las placas, y esta fuerza es proporcional a$d^{-1}$, por lo que el corcho acelera a medida que se acerca al costado del vaso de precipitados.

¡Fascinante! Sospecho que el corcho se siente atraído por el costado del vaso, ya que minimiza la tensión superficial del agua. Editar para aclarar: al ir al costado del vaso, el corcho minimiza la longitud de la interfaz entre el agua y los otros materiales en contacto con el agua.