densidad

¿Por qué flota el hielo?

El hielo flota en el agua porque es menos denso.

Eso nos lleva a otras preguntas: ¿por qué el agua líquida es más densa que el agua sólida? ¿qué implicaciones tiene este hecho?

El estado de un cuerpo (sólido, líquido o gaseoso) viene determinado por la fuerza de atracción que las moléculas que lo componen experimentan entre sí.

Si esta atracción mantiene a las moléculas firmemente unidas en una posición fija, decimos que se trata de un cuerpo sólido. Pero no hay que olvidar que esas moléculas contienen cierta energía cinética o de movimiento que les permite vibrar en sus posiciones.

Si se suministra energía, por medio de calor por ejemplo, las moléculas ganan esa energía y vibran cada vez con más violencia, hasta que la atracción de las demás moléculas no basta para limitar ese movimiento. De manera que se rompen las ligaduras y las moléculas comienzan a moverse por su cuenta, deslizándose unas contra otras, chocando y empujándose. Se produce el cambio de estado y el cuerpo pasa de ser sólido a ser líquido.

Si se continúa aplicando calor, la velocidad de vibración aumenta y se produce un nuevo cambio de estado hacia el estado gaseoso.

De manera general, las moléculas de un cuerpo sólido están ordenadas de manera compacta. En una disposición que apiña las moléculas unas contra otras con muy poco espacio intermolecular. Así, cuando el sólido se funde y las moléculas se separan aumentando el espacio intermolecular, la sustancia se expande y su densidad disminuye.

Entonces, podemos decir que, de manera general, que los sólidos se expanden al fundirse y se contraen al congelarse.

Pero el agua no se comporta así. ¿Por qué?

Las moléculas del hielo están dispuestas en una formación especialmente laxa, en una formación tridimensional que tiene muchos huecos merced a los puentes de hidrógeno. En su caso, al calentarse y empezar a deslizarse las moléculas de agua, en vez de expandirse pasan a rellenar esos huecos o espacios intermoleculares, pasando a ocupar menos espacio en estado líquido que en sólido. Siendo, pues, menos denso el hielo que el agua.

Puede parecer un hecho baladí, pero no lo es en absoluto. Esta circunstancia resulta ser muy afortunada para la vida en la Tierra.

Cualquier hielo que se forme en una masa de agua flota en la superficie, aislando las capas más profundas del frío exterior y preservando el calor bajo la superficie. Esa capa aislante permite la vida bajo el hielo.

Además, al concentrarse en la superficie está más expuesto a  los rayos solares, siendo mayor la posibilidad de que se funda por efecto del Sol.

Su fuera al contrario y el hielo fuese más denso, se hundiría y dejaría expuesta al frío al agua de la superficie, que se congelaría y se depositaría en el fondo a su vez, lejos de los rayos solares que la podrían fundir. Si el hielo fuese másn denso que el agua, las reservas acuáticas del planeta estarían casi todas congeladas sin permitir gran parte de la vida que conocemos.

Así pues, esta característica del agua la hace especialmente útil para la vida.

 

 

Nota sabionda: Al fundirse un centímetro cúbico de hielo se forman 0,9 centímetro cúbicos de agua.

Nota sabionda: Cualquier trozo de hielo flota en el agua, con una décima parte por encima de la superficie y nueve décimas partes por debajo. Ver iceberg.

www.sabercurioso.es

Los espejismos

espejismo: la ciudad no está ahí

Un espejismo es una ilusión óptica debida a la reflexión total de la luz, originada cuando ésta atraviesa capas de aire de distinta densidad. Así objetos lejanos ofrecen una imagen invertida como si se reflejasen en el agua, o bien aparecen flotando en el aire o sobre la superficie del mar.

Pero… ¿cuál es el mecanismo que los forma?

refracciónYa se apuntaba en el primer párrafo: el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro de diferente densidad, que se mide con el índice de refracción, que no es más que la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio del que se trate.

Así, cuando la onda de luz incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios, y si éstos tienen índices de refracción distintos, se produce la refracción. El ejemplo clásico de este fenómeno es el de un lápiz y otro objeto semi-sumergido en un vaso con agua: la cuchara parece quebrada.

También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura (y por ello densidad), de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total.

reflexión

Los espejismos pueden ser de dos tipos: superiores e inferiores, dependiendo de en qué lugar se encuentra la capa de aire caliente.

¿Cómo es eso?

Los espejismos superiores se producen cuando el aire que está cerca de la superficie es más frío (y por lo tanto más denso) que el aire que se encuentra justo encima. Esta inversión térmica se suele dar en latitudes altas donde los mares son fríos y la capa de aire cercana a la superficie del mar está más fría que la superior. La luz ascendente es refractada hacia abajo por la capa cálida produciendo una imagen invertida que parece flotar en el cielo.

Los espejismos inferiores son más comunes, y se producen cuando el aire que está más cerca de la superficie es más caliente (y por lo tanto menos denso) que el aire que se encuentra justo encima. Este fenómeno se observa preferentemente en los desiertos donde el espejismo puede dar la apariencia de un lago o mar desde cierta distancia y, en un ejemplo mucho más cercano, en el asfalto recalentado de las carreteras, con la apariencia de una superficie líquida que refleja imágenes, como un charco. Pero cuanto más se avanza hacia esa zona más parece alejarse, hasta que de repente desaparece.

Veamos algunas imágenes más:

espejismo inferior

espejismo superior

 

 

Nota sabionda: Si hace mucho calor y el asfalto de la carretera está muy caliente, incluso se puede apreciar a simple vista como asciende el aire caliente. Y la diferente densidad de ese aire ascendente provoca que llegue una imagen borrosa al observador, pues el diferente índice de refracción hace que la luz se refracte de forma continua al atravesar las distintas capas de aire y se curve.

Nota sabionda: Una cosa parecida ocurre al repostar el automóvil. Si el día es soleado se puede observar en los alrededores de la entrada al depósito, un efecto óptico, una distorsión de imagen. En este caso provocada por los gases desprendidos por el combustible. De una densidad diferente al la del aire circundante y por ello provocadores de refracción.

Respuesta a una consulta de Leonel Domínguez Quijano

www.sabercurioso.es

Entrada elaborada a partir de la información ofrecida aquí, aquí, aquí y en otros sitios más.

¿Cómo funciona una lámpara de lava?

lámparas de lava

Una lámpara de lava es un elemento decorativo más que de iluminación. Aunque originalmente recibió el nombre de Astrolight, es más conocida como lámpara de lava por el fluir apacible de los fluidos de su interior que recuerdan una corriente de lava.

Esta lámpara consta de un recipiente transparente en cuyo interior se suelen mover dos (aunque en ocasiones son más) sustancias coloreadas y una base metálica en la que se oculta la fuente de luz que las ilumina.

Una de estas sustancias es agua (en ocasiones coloreada) y la otra una cera o aceite (también coloreado). Son inmiscibles entre sí ya que son agua y aceite, por lo que el aceite o cera suele mostrar formas esféricas en suspensión.

Merced al calor que proporciona la fuente luminosa, la materia grasa se fluidifica y pierde densidad, de manera mucho más rápida que el fluido hidrosolubre que las rodea, y por ello asciende. Una vez en la parte superior de la lámpara y lejos de la fuente calorífica, la cera, mal conductor térmico, se enfría rápidamente, su densidad aumenta y, consecuentemente, se vuelve a hundir.

De esta manera se establece un movimiento convectivo de curiosas formas y volúmenes, que se mantendrá mientras la lámpara este encendida y proporcione el calor necesario al sistema.

 

 

Nota sabionda: La temperatura exterior influye en el tamaño y cantidad de las gotas de cera. Así, en verano se formarán muchas y pequeñas, mientras que en invierno tardarán más en formarse y serán pocas y de mayor tamaño.

Nota sabionda: La lámpara de lava fue un icono de los años 1960, pues el constante cambio y la demostración intensa de color fueron comparados a las alucinaciones psicodélicas de drogas como el LSD.

www.sabercurioso.es

Madera que no flota

Talla en ébano¿Qúe pasa si tiras un pedazo de madera al agua? Que flota. Eso es lo que responderá la mayoría de la gente, desde los más niños a los más ancianos.

Después de leer estas líneas pasarás a formar parte —si no lo hacías ya— del grupo de gente que responderá: depende de qué madera.

Existe la madera de boj, de textura fina y uniforme, de grano apretado y de color amarillo pálido, que es muy pesada. Incluso después de secarse flota a duras penas en el agua. Pero flota.

Lo que ya no ocurre con la madera de ébano.

El ébano, Diospyros ebenum, es un árbol originario de India y Sri Lanka. Su madera tiene un atractivo color café oscuro con vetas negras y, si éstas son predominantes, tiene un aspecto casi negro. Es una madera muy apreciada por su color y su dureza y se utiliza para la fabrización de instrumentos de viento como clarinetes y oboes y partes de instrumentos de cuerda como violines y contrabajos. También para artesanía y muebles finos.

Esta madera de ébano tiene una densidad aproximada de 1,35 ton/m3 una vez seca. Más de tres veces la densidad del pino y más de dos veces la de la teca. Es una madera tan densa y pesada que… no flota en el agua.

 

 

Nota sabionda: Se encuentra en cerca de 20 países de África, dentro del triángulo comprendido entre Sudán, Angola y Sudáfrica. En la mayoría de los lugares crece como un arbusto. Sólo crece como árbol en ciertas partes de Mozambique, Tanzania, Zambia, y la República Democrática del Congo.