Introducción

Los sólidos tienen una forma fija mientras que los líquidos se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. Los sólidos actúan “en una sola pieza”. Es decir, cada parte de un sólido se agarra firmemente de los fragmentos adyacentes de manera tal que si tratamos de desplazar una cuchara, podemos mover toda la cuchara. Esta propiedad se llama cohesión.

En contraste, los líquidos no tienen exactamente este tipo de cohesión. Si uno sumerge la mano en agua y trata de levantarla como haría con una roca, lo único que logra es mojarse los dedos. Sin embargo, esto no implica que no existan fuerzas de interacción dentro de un líquido. Por el contrario, existe la fuerza de cohesión también en los líquidos. En la mayoría de los líquidos, esta fuerza es mucho más débil que en los sólidos pero no es enteramente nula. Esto puede observarse claramente en la superficie de los líquidos.

En el centro del líquido cualquier porción está sometida a iguales fuerzas de cohesión en todas las direcciones. No hay una fuerza neta no balanceada en ninguna dirección. Esta situación cambia en la superficie. Allí, el líquido (generalmente rodeado por aire arriba) sólo recibe fuerzas cohesivas hacia el interior ya que las fuerzas ejercidas por el aire son despreciables. La resultante de estas fuerzas es perpendicular a la superficie del líquido.

¿Qué forma tienen los líquidos?

La observación diaria sugiere que un líquido se adapta a la forma de su recipiente o se extiende formando una capa delgada como ocurre al volcarlo en una mesa. ¿Pero qué ocurriría en ausencia de las fuerzas gravitatorias? De la misma forma que los cuerpos se dirigen hacia un mínimo de energía potencial gravitatoria al caer, una pequeña cantidad de líquido suspendida en el aire tratará de minimizar la tensión de la superficie debido a estas fuerzas de cohesión.

Por lo tanto, adquirirá la estructura de una esfera que es la forma de menor superficie externa para un volumen fijo. Al caer las gotas de lluvia por ejemplo, éstas adquieren una forma casi esférica. Esta esfera es distorsionada hacia una forma alargada debido a la resistencia atmosférica y a la gravedad. Cuanto más pequeña es la cantidad de agua, el efecto relativo de la gravedad y resistencia es menor y la gota resulta más esférica. Mas aún, si el agua cae desde una altura más o menos apreciable, la resistencia del aire aumenta con la velocidad hasta llegar a un punto en que las gotas caen con una velocidad casi constante donde el peso y la resistencia se cancelan. Bajo estas condiciones, la gota será prácticamente esférica. Esto ocurre también en el caso de las burbujas de jabón; las fuerzas gravitatorias y de resistencia prácticamente se cancelan y la burbuja adquiere una forma casi esférica.

El mismo efecto puede lograrse al suspender un líquido dentro de otro. Por ejemplo, el aceite de oliva no se mezcla con el agua ni con el alcohol. Flota en el agua pero se hunde en el alcohol. Se puede preparar por lo tanto una mezcla de alcohol y agua en la cual el aceite ni flote ni se hunda. ¿Qué forma adquirirá el aceite bajo estas condiciones? El peso es compensado por el empuje que ejerce el líquido. Al igual que una gota de agua en el aire, el aceite toma una forma esférica. Este experimento fue realizado por primera vez por Platón.
Caminando sobre el agua

Pararse sobre el agua de una pileta o caminar sobre la misma puede parecer muy complicado y lo es para los humanos. Pero hay algunos insectos que son capaces de permanecer y descansar sobre la superficie del agua. Esto no es debido a que su densidad haga que floten. Por el contrario, de acuerdo a su densidad, si se ubica al mismo insecto en el medio del líquido, éste se hundiría. Pero los insectos son capaces de aprovechar la tensión existente en la superficie para reposar sobre ella.
Otros insectos que son más pesados no pueden darse semejante lujo. Sin embargo, mediante habilidosas maniobras son capaces de corretear sobre la superficie del líquido sin hundirse.
Fuerzas entre líquidos y sólidos

El mismo tipo de fuerzas puede actuar entre un líquido y el sólido que lo contiene (por ejemplo un vaso.) Estas fuerzas pueden ser tan grandes como (o incluso mayor) que las fuerzas cohesivas internas del líquido. Este es el caso en la atracción del agua por un vaso limpio de vidrio. El agua prefiere estar más cerca del vidrio y “se eleva” en los bordes. El agua no puede, sin embargo, subir a lo largo del vaso hasta el tope ya que también interviene la fuerza de la gravedad en sentido contrario. El agua se eleva hasta que el peso de la porción del agua elevada se balancea exactamente con las fuerzas de unión con el vidrio. Esto puede observarse en el menisco que forma el agua con el vidrio en los bordes.

El efecto es mayor cuanto menor es el diámetro del tubo. Los tubos de diámetro muy pequeño se conocen con el nombre de capilares. Es debido a la acción capilar que el agua sube por los intersticios de un terrón de azúcar o sobre un trozo de papel secante. Es en parte también gracias a este efecto que el agua puede subir a través de los conductos de una planta para transportar nutrientes.

En otros líquidos, la fuerza de cohesión dentro del líquido puede ser mayor que la fuerza con el vidrio y por lo tanto el menisco parecerá invertido. Este es el caso del mercurio líquido. Lo mismo ocurre con el agua en un envase en que las paredes tengan parafina. Si se vuelca agua sobre un vidrio, el agua trata de expandirse formando la mayor superficie posible de contacto. Si la superficie contiene parafina o si se trata de mercurio, el líquido formará pequeñas gotas semiesféricas que presentan la menor interfase posible con la superficie.

En forma cuantitativa

En el caso de un capilar de radio r, ¿cuál es la altura h extra que se eleva el líquido debido a esta fuerza? Esta altura depende de la longitud de contacto entre el líquido y el sólido, que en este caso es un círculo (asumiendo una forma cilíndrica para el capilar) cuyo perímetro es 2πr. También depende por supuesto de la naturaleza del líquido y el sólido en cuestión; esto se representa en una constante que denominaremos t. De esta manera, la fuerza total que hace elevar al líquido es 2πrt. La fuerza en contra del elevamiento del líquido está dada por el peso de la columna que suponemos cilíndrica en una primera aproximación. El volumen de este cilindro es pr2h. Siendo d la densidad del líquido y g la constante de la gravedad, el peso de esta columna está dado por πr2hdg. El equilibrio se cumplirá cuando estas dos fuerzas se equiparen, lo cual lleva a:

2πrt =πr2hdg

Nótese que las constantes d y t son fijas una vez conocido el líquido y el sólido en cuestión. Por lo tanto, la elevación de la columna estará dada por:

h=2t/rdg

Un comentario en “Tensión Superficial

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