Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Tensión superficial y capilaridad


En la mecánica de fluidos, es esencial comprender los conceptos de tensión superficial y capilaridad porque explican muchas observaciones cotidianas y fenómenos naturales. Estos conceptos no solo nos dicen cómo los fluidos interactúan con las superficies, sino también sobre las fuerzas que actúan dentro del fluido. La siguiente lección explora estos dos interesantes aspectos de la mecánica de fluidos.

¿Qué es la tensión superficial?

La tensión superficial es una propiedad de las superficies líquidas que las hace 'sentir' como una membrana elástica estirada. Este fenómeno se debe a las fuerzas cohesivas entre las moléculas del líquido. La tensión superficial es responsable de la forma de las gotas de líquido y de que los insectos puedan caminar sobre el agua, así como de muchos otros efectos.

A nivel molecular, cada molécula dentro de un líquido es atraída por igual en todas las direcciones por las moléculas vecinas, resultando en una fuerza neta de cero. Sin embargo, una molécula en la superficie de un líquido no tiene otras moléculas alrededor en todas las direcciones; experimenta fuerzas significativas solo de las moléculas debajo de ella. Este desequilibrio reduce la superficie y el área de superficie, lo que contribuye al fenómeno que observamos como tensión superficial.

A B C D F

En la ilustración anterior, las líneas rojas indican las fuerzas que actúan sobre la molécula de la superficie que están dirigidas hacia adentro, causando un efecto de superficie 'estirada'.

Matemáticas de la tensión superficial

La tensión superficial (denotada por σ o T) se mide generalmente en newtons por metro (N/m). Se puede definir como la cantidad de energía por unidad de área que se requiere para aumentar el área de la superficie de un líquido. Una definición alternativa es la fuerza aplicada por unidad de longitud a lo largo de una línea perpendicular a la superficie.

En términos matemáticos, la tensión superficial se puede expresar mediante la fórmula:

σ = F/L

donde F es la fuerza y L es la longitud de contacto.

Ejemplos de tensión superficial

El ejemplo más simple de tensión superficial es las gotas de agua sobre un coche encerado. La cera es hidrofóbica (repele el agua), por lo que cuando se coloca agua en su superficie, las fuerzas cohesivas dentro del líquido hacen que se formen gotas, minimizando el contacto con la superficie y el área de superficie del líquido.

Otro ejemplo común es la capacidad de una pequeña aguja para flotar en la superficie del agua, aunque sea más densa que el agua. La tensión superficial en el agua sostiene eficientemente la aguja creando un efecto de "piel" en la superficie.

Tensión superficial Aguja

¿Qué es la capilaridad?

Capilaridad o acción capilar es la capacidad de un fluido para fluir a través de espacios estrechos sin la ayuda de fuerzas externas como la gravedad o incluso en oposición a ellas. Este comportamiento se observa cuando un fluido asciende por un tubo delgado, material poroso o cualquier otro espacio confinado.

Explicación de la capilaridad

La capilaridad se debe a las fuerzas adhesivas entre el fluido y las paredes del tubo o sustancia porosa, así como a la tensión superficial del fluido. Las fuerzas adhesivas se refieren a la atracción entre moléculas de diferentes sustancias, como las moléculas de agua y las moléculas de vidrio en un tubo capilar.

Cuando las fuerzas adhesivas entre el fluido y el material del tubo son más fuertes que las fuerzas cohesivas dentro del fluido, el fluido ascenderá por el tubo. Por el contrario, si dominan las fuerzas cohesivas, el fluido caerá o la superficie se volverá cóncava.

Matemáticas de la capilaridad

La altura a la que un líquido ascenderá en un tubo capilar se da por la fórmula:

h = (2σcosθ) / (ρgr)

Donde:

  • h es la altura a la que el líquido asciende.
  • σ es la tensión superficial del líquido.
  • θ es el ángulo de contacto entre el líquido y la superficie del tubo.
  • ρ es la densidad del fluido.
  • g es la aceleración debido a la gravedad.
  • r es el radio del tubo.

Ejemplos de capilaridad

Un ejemplo clásico de cómo funciona la capilaridad es un tubo de cristal fino, como una paja, colocado en agua. El efecto capilar hará que el agua dentro de la paja suba más alto que el nivel del agua fuera.

La capilaridad también es importante en la forma en que las plantas mueven el agua desde sus raíces a través de pequeños poros en sus hojas. A través de pequeños tubos llamados xilema, el agua se extrae hacia arriba contra la gravedad, lo que ayuda a proporcionar humedad y nutrientes a toda la planta.

Agua dentro del capilar

Comparación de la tensión superficial y la capilaridad

La tensión superficial y la capilaridad implican interacciones en la superficie de los líquidos, pero se centran en aspectos diferentes:

  • Tensión superficial: Hace hincapié en las fuerzas cohesivas entre las moléculas dentro de un líquido, que hacen que la superficie actúe como una membrana estirada.
  • Capilaridad: Esto involucra tanto las fuerzas cohesivas dentro de un fluido como las fuerzas adhesivas entre el fluido y una superficie externa, que son relevantes para los fenómenos que ocurren en espacios estrechos.

Comprender estos conceptos nos ayuda a entender por qué algunos objetos flotan, por qué los líquidos forman gotas, cómo las plantas absorben agua, y muchos otros fenómenos en la naturaleza e industria.

Conclusión

La tensión superficial y la capilaridad demuestran el poder de las fuerzas intermoleculares y su impacto sustancial en aplicaciones naturales y prácticas. En muchas situaciones, estas fuerzas desafían las fuerzas esperadas en interacciones a gran escala, demostrando el comportamiento dinámico y complejo de los fluidos.

Al comprender los principios de la tensión superficial y la capilaridad, podemos obtener una comprensión más profunda de los increíbles fenómenos que ocurren a nuestro alrededor en nuestra vida diaria, y sentar las bases para comprender temas más avanzados en dinámica de fluidos e ingeniería.


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Tensión superficial y capilaridad

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