Barco flotante al revés

 

En la película «Héroes y fantasmas», derribar el barco pirata antes de la puesta del sol es una forma de viajar a otro mundo. ¿Cómo puede flotar un barco invertido? El estudio de «Nature» el 3 de septiembre utilizó un sistema físico especial en el laboratorio para demostrar este aparentemente interesante fenómeno de antigravedad.

Autor / Liu Yongkun

En un sistema de vibración rápida, puede suceder algo que parece contradictorio. Por ejemplo, llenar un recipiente con líquido y hacerlo vibrar verticalmente, cuando la frecuencia de vibración cumple ciertas condiciones, se puede observar que las burbujas del líquido no flotan hacia arriba, sino que se hunden hasta el fondo del recipiente. Por el contrario, las partículas más pesadas flotarán hacia arriba en lugar de hundirse hasta el fondo.

● Crea un líquido de suspensión

El físico Bejamin Apffel y sus colegas utilizan líquidos muy viscosos como el aceite de silicona o la glicerina y los colocan en un dispositivo que vibra hacia arriba y hacia abajo rápidamente. Al inyectar aire, el aire se hunde lentamente hasta el fondo del líquido y se forma gradualmente una capa de aire, y se puede crear un sistema especial: una capa de líquido se «suspende» en una capa de aire. (Como se muestra en la Figura 1). La razón para usar un líquido muy viscoso es que para suspender el líquido, debe haber una amplitud de vibración suficientemente grande. Si usa un líquido que fluye fácilmente como el agua, fácilmente causará perturbaciones y salpicaduras bajo una fuerte agitación, y no se puede formar una capa de suspensión estable. En teoría, siempre que la fuerza sea fuerte y estable, se puede suspender cualquier peso de líquido. Sin embargo, en su investigación, limitada por el tamaño del dispositivo, solo se suspendió medio litro de líquido como máximo.

Figura 1. Diagrama de configuración experimental. En un dispositivo que vibra hacia arriba y hacia abajo (la frecuencia de vibración es de aproximadamente 100 Hz), se realiza una suspensión de una o dos capas de aceite de silicona líquido. Fuente de la imagen: Benjamin Apffel

Además de crear un líquido en suspensión, el equipo de investigación también quería comprender cómo se comportaría la flotabilidad en esta situación especial. La ley de la flotabilidad fue descubierta por el antiguo científico griego Arquímedes: «Mientras cualquier objeto esté sumergido en un líquido, estará sujeto a flotabilidad hacia arriba, y la cantidad de flotabilidad está relacionada con la cantidad de volumen que ocupa el objeto». Un bloque de metal se hundirá hasta el fondo del agua. , Porque tiene una gran masa, pero solo ocupa un pequeño volumen; el anillo de natación puede flotar en el agua, porque tiene una pequeña masa, pero ocupa un gran volumen. Si el anillo de natación se presiona con fuerza contra el fondo de la piscina, debido a que la flotabilidad del anillo de natación es mayor que la gravedad en este momento, cuando lo dejamos ir, el anillo de natación saldrá del agua debido a la fuerza hacia arriba.

El equipo de investigación colocó un bote de juguete en la superficie superior del líquido, y el bote puede flotar en la superficie sin accidente. Pero cuando el bote se coloca boca abajo sobre el fondo líquido, ¡el bote aún puede «flotar»!

Fuente de la imagen: Benjamin Apffel

Este fenómeno aparentemente contrario a la intuición se puede entender en realidad a partir de la ley de flotabilidad.[1]. El bote de juguete puede flotar en el fondo del líquido suspendido como si estuviera en la superficie, porque parte del volumen del bote de juguete está en el líquido, es decir, ha descargado parte del líquido y estará sujeto a una flotabilidad hacia arriba. Por tanto, si el barco descarga el volumen adecuado de líquido, la flotabilidad es suficiente para resistir la gravedad que empuja al barco hacia abajo, formando este peculiar fenómeno. Sugiero a los lectores que vean el video publicado por el equipo de investigación para comprender mejor los aspectos interesantes de este bote flotante invertido.

● ¿Estado estable y estado inestable?

Aunque los botes de juguete pueden flotar tanto en la capa superior como en la inferior de líquido, su estabilidad es completamente diferente. En física, cuando se discute si un cierto estado es estable, se juzga considerando si el sistema se recuperará eventualmente si hacemos que este estado se desvíe ligeramente del estado inicial. Por ejemplo: supongamos que todavía colocamos una roca en la cima de una montaña o valle. Para la roca en el valle, si la empujamos lejos de la posición inicial, eventualmente regresará al punto original bajo la acción de la gravedad y la fricción; pero para la roca en la cima de la montaña, siempre y cuando sea empujada lejos de la posición inicial, la piedra será Rodará cuesta abajo y nunca volverá a la posición original. El sistema de valles se denomina estado estable y la cima de la montaña es un estado inestable.

Volviendo a la situación del bote de juguete, para un bote flotando en la superficie, si lo presionas ligeramente hacia abajo, la flotabilidad será mayor que la gravedad debido al aumento de la parte líquida sumergida, y el bote tenderá a flotar de nuevo a su posición original; tirar del bote hacia arriba, La flotabilidad se reduce, en este momento la gravedad es mayor que la flotabilidad y el barco se hundirá hasta que vuelva a la posición de equilibrio original. De esto sabemos que el bote que flota en la superficie se encuentra en un estado estable. Pero para el barco de suspensión inferior, la situación es completamente diferente. Al tirar del bote hacia arriba, en lugar de drenar más líquido, la flotabilidad hacia arriba aumenta, lo que hará que el bote continúe flotando; empujando el bote hacia abajo, la flotabilidad disminuye y la gravedad hacia abajo alejará gradualmente el bote del agua. Por lo tanto, aunque parece que el bote en la superficie o el fondo puede flotar, el bote en el fondo se encuentra en un estado inestable y necesita un control preciso para que la flotabilidad y la gravedad del bote se equilibren para hacerla flotar.

Además de darnos una idea del efecto de flotabilidad en circunstancias especiales, este experimento es capaz de mostrar aquello con lo que estamos familiarizados. También demostró que en este tipo de sistema líquido de agitación de alta velocidad, hay muchos fenómenos físicos especiales que pueden estar esperando que los descubramos. Algunos investigadores mencionaron que en este tipo de sistema, el fenómeno contrario a la intuición del hundimiento de las burbujas y la flotación de partículas más pesadas puede utilizarse para separar diferentes sustancias en la depuración de aguas residuales o campos bioquímicos. ¿Cada lector también puede pensar en las aplicaciones únicas de este fenómeno mágico?

–Nota[1] Estrictamente hablando, en este tipo de sistema de vibración, además de la flotabilidad «estática» de Arquímedes, la flotabilidad también debe considerar la flotabilidad «dinámica» causada por la vibración del propio líquido. Sin embargo, dado que implica descripciones de modelos matemáticos más complicadas, y la flotabilidad estática es suficiente para explicar cualitativamente este fenómeno contrario a la intuición, aquí solo se utiliza la flotabilidad estática para ilustrarlo.

Materiales de referencia:
[1] Maria Temming, Los barcos de juguete flotan boca abajo debajo de una capa de líquido levitado. Science News.
[2] Vladislav Sorokin, La vibración vence a la gravedad en un fluido levitando Naturaleza.
[3] B. Apffel et al. Flotando bajo un líquido levitando. Nature. Vol. 585, 3 de septiembre de 2020, p. 58. doi: 10.1038 / s41586-020-2643-8
[4] Blekhman et al., Efectos superficiales y volumétricos en un fluido sometido a vibraciones de alta frecuencia, Proc. Inst. Mech. Eng. C 226, 2028-2043 (2012).


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