VIII Carnaval de Física: Por qué un barco sin motor se mueve en agua salada pero no en agua dulce

Por Francisco R. Villatoro, el 24 junio, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Physics • Science ✎ 4

Lo que caracteriza a una revista de alto índice de impacto, como Nature Physics, es la baja tasa de aceptación de artículos: sólo el 10% de los artículos enviados acaban siendo publicados. Más aún, el 70% de los artículos ni siquiera pasan por revisores externos, siendo rechazados directamente por los editores de la revista. Y no son rechazados porque sean malos, sino porque así tiene que ser para que la revista tenga un alto índice de impacto. Un artículo publicado en Nature Physics tiene que ser un artículo que llame la atención. Bueno, en realidad el editor principal afirma que además de llamar la atención tiene que provocar un impacto a largo plazo y ser de importancia fundamental. Lo dicho, que los medios y blogs como éste se hagan eco de dicho artículo. Os recomiendo el Editorial, “Leave to appeal,” Nature Physics 6: 395 (2010). Al grano. ¿Por qué un barco sin motor …? Gracias a la difusión.

Atrévete y haz el experimento en tu propia casa. Hay que tener paciencia, eso sí. Coloca un barco de juguete en un baño ancho con agua (dulce) y ponte a esperar. Espera 24 horas. El barco no se habrá movido (a menos que hayas soplado sin querer o generado una corriente de aire en la habitación). Ahora bien, coloca el mismo barco de juguete en un baño ancho con agua salada y ponte a esperar. Observarás que el barco se mueve. Espontáneamente, sin motor alguno, sin perturbación exterior, el barco mágicamente se mueve. Para estar seguro de que no has introducido perturbaciones externas en el barco debido a que te has puesto a observar el  barco mientras se mueve, lo mejor es que repitas el experimento pero lo abandones a su suerte durante 24 horas. Al retornar verás que el barco ya no estaba donde debía sino que se habrá movido. Por qué. Por la difusión. Cómo es posible si la difusión es un proceso que no puede generar trabajo útil según la termodinámica. La razón es que el agua salada tiene un gradiente vertical de densidad y el fondo del barco tiene forma de cuña. Se produce un flujo por difusión, muy lento, pero suficiente como para mover el barco. Cual René Lavand, la difusión no lo puede hacer más lento, … más lento imposible, … pero Eppur si muove. Nos lo cuenta Michael A. Page, “Fluid dynamics: Propelled by diffusion,” News and Views, Nature Physics, Published online 20 June 2010, que se hace eco del artículo técnico de Michael R. Allshouse, Michael F. Barad, Thomas Peacock, “Propulsion generated by diffusion-driven flow,” Nature Physics, Published online 20 June 2010. ¡Ah! que no quieres repetir el experimento en casa. Bueno pues descarga el vídeo de los autores y observa el experimento con tus propios ojos (el vídeo [9’69 Mb] te condensa en 15 segundos el movimiento observado durante 12 horas).

El flujo inducido por la flotabilidad es el flujo debido impulsado por variaciones espaciales en la densidad de un fluido. Más allá de la curiosidad propia de este experimento, el flujo inducido por la difusión se encuentra en el corazón de gran variedad de procesos físicos de interés, como el transporte de minerales en rocas, el deshielo de los icebergs y el movimiento de las placas tectónicas. El nuevo artículo de Thomas Peacock, del MIT (EEUU), ilustra experimentalmente que este tipo de flujo también permite generar la propulsión de objetos sumergidos en un fluido, objetos con forma de cuña que estén flotando en un fluido cuya densidad esté estratificada verticalmente. La difusión molecular a lo largo de las paredes de la cuña produce un pequeñísimo empuje lateral que acaba conduciendo a un movimiento macroscópico. Los autores, además de experimentos, han desarrollado simulaciones por ordenador que permiten entender los detalles del proceso. El flujo difusivo crea una región en la parte delantera de la cuña de menor presión  que en la parte trasera lo que conduce al impulso que mueve el barquito.

Por cierto, es importante que el barreño de agua en el que hagáis el experimento sea suficientemente ancho (al menos unas tres veces la longitud mayor del barco) para que los efectos de borde de las paredes no reduzcan la velocidad límite del barco debida a la difusión y el proceso sea aún más lento. ¿Qué pasa si colocamos dos barquitos separados una pequeña distancia entre sí? Los barcos se mueven y se separan entre sí, moviéndose con un cierto ángulo respecto a la trayectoria que tomaría un barco en solitario. La siguiente figura (fotografías del experimento) os muestra el resultado (se ve desde arriba, veis la cubierta del “barco” cuya quilla define la cuña que es transversal a lo que veis).

 Esta es mi tercera y última entrada para la VIII edición del Carnaval de la Física albergado por Pirulo Cósmico. La idea obviamente es que repitáis estos experimentos con vuestros alumnos. Ánimo y a disfrutar de la física, que más allá de la teoría es experimento.



4 Comentarios

  1. ¡Qué bueno!

    Es importante comprobar que no haya corrientes. Para ello, una forma fácil es echar una gota de leche. Tiene una densidad parecida a la del agua, pero se difunde muy poco, por lo que se pueden ver las corrientes de maravilla.

  2. Excelente entrada, pero no sé dónde te habrán dicho que “la difusión es un proceso que no puede generar trabajo útil según la termodinámica”. Coge una cámara de ósmosis, mete a cada lado de la membrana semipermeable la misma cantidad de agua (ev. con dista concentración de la sal que se te antoje) y cuando te aparezca una diferencia de altura suficiente empléala para generar una birriosa cantidad de energía dejando que el exceso de agua de la cuba concentrada pase a la diluida. Este “motor de agua salada” funcinará con un paupérrimo movimiento hasta que la concentración en ambas cubas se iguale por la difusión y el trasvase. Que yo sepa no he violado ninguna ley de conservación de energía.

  3. ola a todos. yo pienso que el barco se mueve por que al flotar el empuje del agua lo hace movil y ademas es practicamente de menor peso , y el agua de salada posse mayor empuje que el agua dulce.es mi muy humilde opinion, tal ves no se la mas correcta pero quise aportar mi granito de arena. dejo mi correo por si gustan contactarme y conversar sobre temas de fisica. http://www.panqui_936@hotmail.com

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