Cuando los disparos golpean la superficie de un estanque, el agua siempre parece salpicar directamente hacia arriba, en un ángulo de 90° con respecto a la superficie del agua, sin importar en qué ángulo se dispare el arma. El ángulo suele ser muy pequeño, pero la mayor parte del agua todavía parece salpicar hacia arriba, en lugar de alejarse del tirador casi en el mismo ángulo en el que se disparó. Me pregunto por qué sucede así.
El agua no se comprime fácilmente en forma líquida (o sólida). Ten eso en mente.
Cuando la bala golpea, transfiere impulso a las moléculas de agua. El impulso es un vector, y puede dividirlo en componentes verticales y horizontales, y considerarlos por separado.
Primero, considere el momento vertical. Esa es la componente que es paralela a la fuerza de gravedad. El impulso vertical se transfiere ("empuja") a las moléculas de agua fuera del camino. Entonces hay un vacío, y luego el agua vuelve a entrar debido a la presión del agua. La salpicadura hacia arriba ocurre debido al impulso ascendente neto del agua a medida que llena el vacío. La gravedad frena las salpicaduras de agua.
En segundo lugar, considere el impulso horizontal. Dado que la gravedad no actúa horizontalmente, la única fuerza horizontal sobre las moléculas de agua es su resistencia a la compresión y la fuerza de la bala (horizontalmente). El impulso horizontal de la bala se transfiere a las moléculas de agua. Dado que las moléculas de agua resisten fuertemente la compresión, el momento horizontal se distribuye por toda el agua en la superficie del estanque. La masa de agua es enorme en comparación con la masa de la bala, por lo que el momento horizontal resultante para las moléculas de agua individuales es pequeño. Simplemente no se mueven horizontalmente mucho.
Entonces, el resultado final es que el agua que salpica tiene muy poco movimiento en dirección horizontal y básicamente sube (y luego baja).
(Consideré que el estanque no tiene fuerzas horizontales externas, pero las orillas ejercerían una fuerza horizontal. Sin embargo, el efecto sería pequeño y puede tratar las moléculas de agua como "cuerpos libres" en la dirección horizontal.
Esto se puede responder utilizando la ley de Pascal, que establece que en un fluido, la presión es igual en todas las direcciones. Cuando la bala golpea la superficie del agua, debido a la fricción y la transferencia de impulso, se crea una depresión. Ahora, por conveniencia, considere un pequeño volumen de agua en el fondo de la depresión. Hay igual presión en todas las direcciones. Pero horizontalmente, la fuerza de presión se equilibra con el agua contigua. Verticalmente en dirección hacia abajo, la fuerza de presión se equilibra de manera similar. Pero en la dirección hacia arriba, no hay nada que equilibre la fuerza de presión. Debido a esta fuerza ejercida sobre el agua, ésta asciende hacia arriba. Una forma más sencilla de decir lo mismo es usando el principio de Arquímedes. La depresión creada en el agua experimentará una fuerza ascendente igual al peso del volumen de agua desplazado. Cuando el agua que sube llega a la altura de la superficie, no se detiene ahí por inercia y sube aún más alto visto como la salpicadura. Por lo tanto, se observa la salpicadura y solo en la dirección hacia arriba.
Casi nada de la energía de la bala se transfiere al impulso de avance del líquido; a altas velocidades, casi toda su energía se pierde por cavitación. Cuando una bala entra en un líquido crea una cavidad. El chapoteo que observas es el resultado del desplazamiento inicial del agua cerca de la superficie causado por la creación de esa cavidad. Esto es muy fácil de ver en videos de alta velocidad .
Es decir, se podría decir que el agua realmente no "sabe" en qué dirección viaja la bala. Una vista instantánea de la cavitación es una explosión desde la punta de la bala: los vectores de impulso del agua se irradian por igual en todas las direcciones. El resultado neto en la superficie es una salpicadura prácticamente vertical, como si detonara un explosivo a lo largo de la trayectoria de la bala.
Curiosamente, el colapso de la cavidad da como resultado vectores de impulso que irradian aproximadamente por igual desde el centro del colapso. Si ese centro está cerca de la superficie, observará más agua expulsada por los vectores que cruzan la superficie del agua. Si el centro de la cavidad es más profundo, se puede observar un ciclo de cavidades a medida que se disipa la energía de cavitación.
Tomás
Carlos Witthoft