¿Qué le sucede al aire en una botella de agua cuando cae?

Si deja caer una botella sin ningún movimiento residual (es decir, no está girando, etc.), entonces todo dentro de esa botella estará en "caída libre". El aire y el agua intentarán caer a la misma velocidad.

Hay un buen video de lo que le sucede al agua cuando se "derrama" en la Estación Espacial Internacional : se convierte en una "mancha" debido a la tensión superficial. Agregue a eso una pequeña cantidad de atracción entre el líquido y la botella en la que se encuentra (superficie hidrofílica, que atrae el agua en lugar de repelerla) y verá que el agua querrá permanecer activamente en el fondo de la botella: no hay fuerza para aléjelo, y en realidad hay una fuerza (débil) que lo mantiene allí.

Entonces el aire se queda arriba y el agua abajo. Cuando toque el suelo, hará un gran desastre, pero eso no es lo que estabas preguntando...

No pienso nada. Ejemplo #1: Calcule la velocidad rms de una molécula de oxígeno gaseoso, O2, a 31,0 °C

Solución:

$v=\sqrt{\frac{3RT}{M}}=\sqrt{\frac{3 \times 8.31447 \times 304.0}{0.0319988}}=486.8 m/s$

Esa es una velocidad promedio bastante alta de las moléculas de oxígeno. La aceleración de la botella no la cambia mucho al principio. La dirección del movimiento de las moléculas es aleatoria si la velocidad de la botella es mucho menor que la calculada arriba del número, pero con el tiempo aumentarán lentamente en relación con la botella.

El entorno de un objeto en caída libre es el mismo que el de uno sin campo gravitatorio (despreciando los gradientes del campo gravitatorio, es decir, las fuerzas de marea).

Entonces, antes de que deje caer la botella, la gravedad retiene el agua en el fondo y crea un ligero gradiente de presión de aire entre la parte superior y la superficie del agua, y un gradiente de presión de agua entre la superficie y el fondo.

Cuando dejas caer la botella, la gravedad "desaparece". Los gradientes de presión desaparecen. El aire en la superficie tira hacia arriba un poco a medida que cae su presión. Más importante aún, si no es un material rígido, el fondo de la botella rebotará un poco porque ya no contrarrestará la presión del agua.

El efecto neto es que, incluso sin resistencia del aire o corrientes de agua previas, el agua tenderá a comenzar a chapotear y mezclarse con el aire.

Una mezcla de líquido/gas en un recipiente cerrado en un entorno de gravedad cero puede ser bastante extraña. Con suficiente tiempo, el contenido del tanque finalmente se convierte en una mezcla etérea de gotas de líquido, burbujas de gas y espuma. Esto crea un importante desafío de diseño para los tanques de combustible líquido destinados al uso en el espacio. Una solución es usar una cámara de aire para separar el líquido del gas vacío. ¡Eso no es divertido! No hay mezcla de líquido y gas en tal tanque. (Además, la vejiga es un punto de falla).

Sin una vejiga, las únicas formas de llevar combustible del tanque al propulsor son nunca dejar de disparar los propulsores (forzando así el combustible a un extremo del tanque), rotar el tanque para centrifugar el combustible o usar dispositivos (típicamente dispositivos pasivos) basados ​​en la tensión superficial que recogen el combustible. Estos se denominan dispositivos de gestión de propulsores, y existen muchas patentes para tales dispositivos .

A corto plazo, el efecto dominante será el chapoteo del agua al soltar la botella de forma no completamente limpia. A largo plazo, dado que está ignorando la resistencia del aire, y si asumimos que la botella no gira de ninguna manera, entonces dominará la tensión superficial.

Diferentes interfaces materiales tienen diferentes energías y, en ausencia de otras fuerzas, esas energías intentarán minimizar. Por ejemplo, siendo todo lo demás igual, el agua y el aire se reorganizarán para hacer que la interfaz aire/agua sea lo más pequeña posible. Dependiendo del plástico (y su humectabilidad), la interfaz plástico/aire o plástico/agua también puede minimizarse en cantidades variables. (Tomé 3.091, "Introducción a la química del estado sólido", del profesor August Witt en el MIT en 1980; ¡qué conferenciante tan increíble!)

Por ejemplo, si el plástico es extremadamente hidrofóbico, la interfaz agua/plástico se minimizará y terminará con una gran bola de agua flotando en el medio de la botella. O, si el plástico es extremadamente hidrofílico, terminarás con una gran bola de aire flotando en el medio de la botella.