Presión atmosférica
¿Por qué el agua sube por la bombilla al aspirar?
No es por la fuerza de succión que uno hace solamente. Aunque parezca no tener nada que ver, para tomar mate usamos el peso del aire sobre nuestras cabezas.
Todo el aire que hay por encima de nosotros tiene un peso. Tanto los gases como los líquidos distribuyen esa presión en todas direcciones. Antes de seguir aclaremos el significado de una palabra: Presión.
Para la física la presión no es una fuerza. Las fuerzas actúan en determinadas direcciones, la presión no. Para tener una idea acertada, pensemos en la presión como la fuerza por unidad de superficie. Esa es justamente su definición. Es una fuerza distribuida en una superficie, así que cada vez que aparezca una presión irá acompañada de unas unidades como ser kg/cm², que indica que es una fuerza de tantos kilogramos por cada centímetro cuadrado de superficie que se exponga a dicha presión.
¿Cómo es esto, entonces de la presión en todas direcciones?
No es que estando bajo techo no sentimos el peso de la atmósfera y al salir a un espacio abierto nos caiga repentinamente todo ese peso. Sabemos por experiencia que esto no es así. Justamente ese peso se distribuye en todas direcciones. Sobre el mate está siendo ejercida una presión desde todos lados. Lo que hacemos al aspirar es disminuir la presión en el interior de la bombilla, entonces el líquido va a sentir una presión más grande viniendo desde afuera del mate, y se va a introducir en la bombilla donde hay menor presión. Por esa razón los dentistas sugieren, luego de una extracción, no tomar mate porque al crear una disminución de la presión en la boca, ésta puede abrir las heridas. Lo mismo pasa con un sorbete. Si el mismo está perforado, costará mucho absorber el líquido porque la presión atmosférica actuará por el orificio compensando la disminución de presión por absorción.
Un experimento: Si tomás una gaseosa o cualquier líquido, pruebá hacerlo con dos sorbetes, uno que vaya de tu boca al líquido, como se estila, y el otro de tu boca hacia fuera de la lata o vaso. Cuando intentes absorber verás que esta tarea resulta imposible. El segundo sorbete iguala instantáneamente las presiones externa e interna de tu boca. Es algo similar a lo que sucede con el sorbete roto o perforado.
¿Cuánto pesa la atmósfera?
Experimento de Torricelli
Si estamos sobre el nivel del mar podemos decir también que estamos en el fondo de un océano de aire. Evangelista Torricelli mediría esa presión con un experimento famoso.
Para 1.643 había surgido un problema extraño e interesante. Los mineros usaban bombas para subir el agua, pero ninguna de las mismas podía elevarla más de 10 metros. ¿Por qué?
Se creía hasta entonces que el vacío que producía una bomba hacía elevar el agua por la cañería, de la misma forma que la mayoría piensa ahora que es la fuerza de absorción de nuestros pulmones que eleva el líquido en la bombilla del mate. Pero no hay aspirador, por más potente que sea que eleve más de 10 metros el agua.
Torricelli hizo el cambio de visión del problema que lograría disipar el misterio. Propuso que no era la fuerza de la bomba ni del vacío lo que elevaba el agua, sino la presión atmosférica. Y esta presión tenía un límite, por lo que no conseguiría subir más que diez metros el nivel de agua en un tubo.
Si estaba en lo cierto tenía que probarlo. Eligió el líquido más pesado que conocemos, el Mercurio: 13,6 veces la densidad del agua. Si la presión atmosférica elevaba a casi diez metros el agua (cuya densidad es 1), al mercurio lo elevaría 1/13,5 de esa altura.
Torricelli llenó un tubo de 1,80 m de altura con mercurio, lo tapó y lo dio vuelta sobre un plato con mercurio.
Al destaparlo la columna de mercurio descendió hasta una altura de 76,2 cm, que era lo esperado según la hipótesis. Así fue que se midió por primera vez la presión que ejerce este océano de aire sobre nosotros. El valor de esa presión es de aproximadamente 1,033 kg por centímetro cuadrado. Sólo en la palma de su mano está recibiendo una fuerza de 50 kg. Decimos aproximadamente, porque el valor de la presión atmosférica varía hora a hora y de lugar a lugar. Para estandarizar un poco el asunto se toma un valor promedio (el que dimos más arriba) y se dice que ese es el valor de una atmósfera.
Evangelista Torricelli
Físico y matemático italiano. Nació en Faenza en 1.608. Estudió en dicha ciudad y en Roma. Viniendo de familia noble, y tomando popularidad con sus escritos de matemática, fue llamado a Roma por Galileo Galilei.
Discípulo en adelante de Galileo, lo asistió hasta la muerte, sirviéndole de guía en su ceguera, y sucediéndolo en la enseñanza en el Estudio Florentino.
Su recordada experiencia, de donde nacieran los barómetros, desechó la idea aristotélica respecto del vacío, el cual según él no podía existir. Torricelli observó que lo que quedaba por encima del nivel de mercurio en su tubo invertido no era más que vacío.
Sus trabajos fueron amplios, escribió un tratado sobre movimiento, calculó la velocidad de escape de un líquido de su recipiente, construyó lentes y anteojos de altísima calidad. Fue un precursor en el cálculo infinitesimal
Escribió su Opera Geométrica en 1.644, murió en Florencia en el año 1.647.
Densidad
La densidad se define como la masa de un material dividido el volumen que ocupa.
Es una medida muy útil ya que nos permite comparar varios materiales.
Se establece al agua pura como unidad de medida. Todo lo que tenga una densidad mayor que 1 (uno) se hundirá en el agua, y lo que tenga densidad menor que uno (es decir cero coma …) flotará.
Es importante aclarar dos cosas:
- Existe una magnitud similar llamada "peso específico" que no difiere esencialmente en nada con la densidad, excepto que en el peso específico no se usa la "masa" sino el "peso" del objeto, y por tanto cambiará de planeta en planeta. La densidad al usar la masa (que no incluye la gravedad) es más universal
- No debe confundirse densidad con viscosidad. ¿Crees no confundirlos? Veamos: ¿qué es más denso, el aceite o el agua?
Densidad vs viscosidad
El agua es más densa que el aceite, por eso el aceite flota en el agua. Habíamos dicho que cualquier cosa menos densa que el agua flotaba en ella.
El asunto es que uno confunde viscosidad (o qué tan espeso parece un fluido) con el tema de la densidad.
Para convencerse pese un litro de aceite y luego uno de agua. Verá que el litro de aceite pesa menos.
El de agua pesará exactamente un kilogramo, no por casualidad, sino que así fue definido basándose en el sistema métrico decimal y tomando al agua como referencia.
Océano de aire
Lo que midió Torricelli es valido también para los líquidos. A líquidos y gases en general los llamaremos fluidos. En los fluidos se siente una presión proveniente de todas direcciones y que aumenta con la profundidad.
¿Cuánto aumenta la presión con la profundidad?
Es fácil recordarlo si traemos a la memoria el problema de las bombas de agua que trató Torricelli. La atmósfera sólo podía elevar 10 metros de agua. Por lo tanto más o menos por cada diez metros de profundidad que nos sumerjamos, la presión aumenta en 1 atmósfera.
Al sumergirse, un buzo se expone a un nuevo peligro. A elevadas presiones el nitrógeno que respira se disuelve en la sangre. Si la descompresión, es decir el ascenso, es rápido las burbujas que se generan en el torrente sanguíneo pueden causar parálisis, desde ya un intenso dolor, y hasta pueden producir la muerte. Para evitarlo el buzo debe quedarse un tiempo a profundidad intermedia para que su cuerpo renueve los gases en la sangre a una menor presión. Este procedimiento de seguridad en el ascenso lo sugirió el fisiólogo francés Paul Bert en 1.878.
De todas formas, por más cuidado que se tome, el cuerpo humano no puede resistir demasiada presión, por lo que para seguir sumergiéndose requiere de aparatos presurizados, es decir con una presión interior normal.
Un vuelo seguro
Descenso de la presión con la altura
Si el experimento de Torricelli medía efectivamente el peso de la atmósfera por sobre el aparato, era obvio suponer que con el ascenso habría menos aire sobre el instrumento y por ende éste debería medir menor presión. Para verificar esto, Blaise Pascal mandó a su cuñado a una montaña con dos barómetros (bromas al margen). Al llegar a una altura de un kilómetro y medio, la presión que marcaba el barómetro (vamos a llamar así al instrumento que mide presiones) era efectivamente menor. La columna de mercurio había descendido de 762 mm a 685 mm.
Descenso de la presión con la altura
De aquí a pensar que un barómetro era un buen instrumento para medir alturas hay un pequeño paso. Y así se hizo. Un barómetro usado de esta forma recibe el nombre de altímetro. Pero al menos en las cercanías de la superficie, cada ocho metros tenemos un descenso en la presión de 1 g/cm². A mayor altura, la variación es menor. Teniendo en cuenta esto una diferencia de medición de 5 o 6 g/cm² representa una buena altura, diferencia sustancial entre un posible accidente aéreo o no. El problema es que el clima mismo produce esas variaciones de presión, lo que daría como resultado una lectura errónea en el altímetro con consecuencias altamente peligrosas para el avión y sus pasajeros.
Lo que se suele hacer es corregir el altímetro basados en mediciones estáticas de puntos de referencia. Actualmente las alturas de los vuelos se hacen emitiendo una señal electromagnética a tierra y recogiendo el eco. Según el tiempo de retraso se calcula automáticamente la altura con mucha precisión. El método es similar a la manera en que un sonar mide la profundidad debajo de un barco.
Con el auxilio de satélites las mediciones son cada vez más precisas y, por lo tanto, seguras.
Por otro lado, se debe tener en cuenta el descenso de la presión en las alturas por las que viajan estas naves. Esa es la razón por la que las cabinas como la parte de pasajeros se presuriza, es decir se mantiene a una presión constante de valor normal. En esa circunstancia el avión tiene una presión interna mayor que la externa.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).