LA FÍSICA ES DIVERTIDA: PARTE 7

Debido a la presencia de múltiples variables, el proceso real no es fácil de describir experimentalmente. Desde el punto de vista de la física, la contaminación ambiental por acumulación de desechos sólidos es un problema de muchos cuerpos. Sin embargo, es posible mostrar de manera sencilla algunos de los principios físicos involucrados en este problema.

De acuerdo con mis observaciones, para que los desechos sólidos se acumulen formando islas o conglomerados en el agua deben cumplirse al menos los tres principios siguientes:

Se refiere a la propiedad de un objeto de mantenerse a flote parcial o totalmente en un líquido. El principio clásico para describir la flotabilidad de un objeto en el agua es el famoso Principio de Arquímedes, según el cual:

Figura 2. Condición de flotabilidad de un cuerpo sumergida en un fluido (Diseño original del Autor).

donde Δh es la longitud sumergida y A el área transversal al empuje, entonces el empuje hidrostático es,

siendo P_h la presión hidrostática producida por la columna de fluido sobre la sección sumergida del objeto.

Consideremos ahora un elemento sólido (plástico, anime, vidrio) de volumen V₀ que permanece en el fondo de un contenedor vacío. Inicialmente el desecho se encuentra en contacto con el suelo por efecto de la fuerza de gravedad y de la presión atmosférica, P₀. Hasta que, comienza el fluido a llenar el contenedor. Al ingresar el fluido al contenedor se activa la presión hidrostática y la fuerza resultante sobre el envase o material de desecho es,

Con lo cual se satisface la condición de flotabilidad. Cabe destacar que el centro de gravedad del envase puede desplazase debido al ingreso de agua dentro del mismo. Ahora bien, para que los desechos tengan la posibilidad de conglomerarse se requiere que el envase o desecho esté en estado de flotabilidad total es decir, F_y › 0, ó

Figura 3. Principio de Arquímedes y la flotabilidad de un envase plástico en el agua (Diseño original del Autor utilizando una cámara digital Casio Exilim 12.1 Mega Pixels).

Una vez los desechos flotan en la superficie del fluido, se requiere que algo los atraiga. Como hemos aprendido en nuestros cursos de física básica, las fuerzas de atracción tienen diversos orígenes: gravitacional, electromagnéticas y nucleares. Sin embargo, en el caso de los desechos sólidos en el agua, tales como plástico, anime, vidrio, madera, éstas fuerzas de atracción pueden tener otros orígenes: los gradientes de presión.

Las corrientes de aire no solo mueven los objetos que flotan sino también crean un campo de presión anisotrópico en todas direcciones, que ejerce una fuerza sobre cualquier cuerpo en la superficie del líquido. Las flechas de colores en la Figura 4 representan los flujos de aire de diferentes presiones. A medida que los objetos se acercan debido a la fuerza de la presión, se crea una zona intermedia de baja presión por Efecto Venturi, creándose un gradiente de presión que atrae a los cuerpos entre sí formando los conglomerados de desechos sólidos.

Generalizando los cálculos presentados en el Capítulo 5 de “La Física es Divertida” al problema de dos cuerpos sobre una superficie líquida (https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida-parte-5), la fuerza de atracción por gradiente de presión entre dos objetos flotando en un líquido puede expresarse como

Si el gradiente de presión es nulo, predomina la viscosidad del líquido y los objetos no se atraen. Al contrario de esto son dispersados o repelidos en todas direcciones. Sin embargo, la atracción por gradientes de presión no es un mecanismo eficiente, ya que, si la dirección del gradiente no es perpendicular a la corriente de aire que ingresa en la región que separa los objetos, estos no quedarán adheridos.

Figura 4. Dos objetos plásticos flotando en agua tienden a atraerse, debido al gradiente de presión que producen las corrientes de aire (flechas de colores) (Figura original del Autor, con fotografías utilizando una cámara digital Casio Exilim 12.1 Mega Pixels).

Adicionalmente al gradiente de presión por Efecto Venturi, existe otro mecanismo involucrado en la formación de conglomerados o islas de desechos sólidos en las aguas del Planeta: la adhesión.

El agua es vital para nuestra vida. Nos rodea por todas partes (o casi). Sin embargo, cuando sumergimos objetos en el agua ocurren cosas extrañas. Las sentimos día a día pero no entendemos porque ocurren. Lo más extraño es que el agua actúa como “pegamento” entre dos cuerpos cuando se crea una capa de agua entre ambos objetos. Este “pegamento” es la fuerza de adhesión cuyo origen son las interacciones intermoleculares en la interface agua/sólido. Este es un concepto esencial para la comprensión de otro fenómeno común relacionado y que también pasamos desapercibido: la tensión superficial. En esta sección me dedicaré a describir cualitativamente el fenómeno de la adhesión en la interface líquido/sólido. Para una revisión detallada sobre el tema de la “tensión superficial” les recomiendo el artículo de @emily61:

Cuando un objeto sólido flota en un líquido como el agua, la superficie de agua que rodea al objeto experimenta una curvatura formando un menisco cóncavo, y decimos entonces que el líquido “moja” al sólido: el agua se ha adherido al cuerpo. El ángulo formado por la superficie sólida y la tangente a la curvatura del menisco lo llamamos ángulo de contacto, θ. La fuerza de adhesión es máxima cuando θ=0°, y mínima cuando θ=90° (ver Figura 5). En el punto de contacto del menisco con la superficie sólida se ejercen dos fuerzas: una fuerza perpendicular a la superficie, F_p, y otra fuerza tangente al menisco, F_T. La resultante de estas dos fuerzas es la fuerza de adhesión. Si θ › 90° se forma un menisco convexo. Decimos entonces que el líquido no moja y como resultado se producen las gotas de agua. En otras palabras, el agua no siempre moja.

Figura 5. (a) Menisco cóncavo que se forma alrededor de un desecho sólido al ser arrojado al agua. En el punto de contacto se producen dos fuerzas cuya resultante es la fuerza de adhesión (Diseño original del Autor)

Al comenzar a acumularse los envases plásticos, latas, anime, vidrio, y otros objetos, el menisco formado en las superficies de cada objeto actúa como el “pegamento”, y así se forman las islas o conglomerados que están contaminando las aguas del Planeta. En la Figura 6 se muestra un ejemplo cotidiano de adhesión en una superficie mojada.

Figura 6. Ejemplo cotidiano de adhesión de un objeto sólido a una superficie mojada (Diseño original del Autor. Fotografías tomadas con una cámara digital Casio Exilim 12.1 Mega Pixels).

Una vez comprendidos los principios básicos anteriores, mostraremos ahora como estos se conjugan al mismo tiempo para producir la contaminación ambiental por desechos sólidos. La demostración que les quiero presentar no requiere de materiales especiales ni costosos. Para esto solo utilizaremos los desechos sólidos propios que intervienen en la contaminación ambiental, tales como el plástico y el anime. Necesitaremos los siguientes materiales:

Figura 7. Materiales usados en las demostraciones experimentales (Fotografía original del Autor utilizando una cámara digital Casio Exilim 12.1 Mega Pixels)

Una explicación experimental del proceso de formación de una isla o conglomerado de desechos sólidos en el agua se muestra en el video a continuación (grabado con dispositivo celular HTC One S)