Aerosoles. ¿Qué son y por qué propagan la COVID-19?

 

Estos días se está hablando mucho de los aerosoles y de su presunta importancia en la propagación de la pandemia por COVID-19 que venimos sufriendo desde hace tiempo. Los medios de comunicación se hacen eco de evidencias y de estudios, a veces contradictorios, sobre aerosoles que se forman en espacios cerrados exhalados por las personas presentes y del importante papel que parece ser que juegan en el contagio del virus. La opinión pública, así como las autoridades sanitarias, están confusas con los hábitos higiénicos a seguir para atajar la incidencia. No hablar en grupo, no fumar en la calle, ventilar continuamente y pasar frío… ¿qué es lo que debe hacerse? ¿Son tan importantes los aerosoles en el contagio? ¿Sabemos qué es y cómo se produce un aerosol?.

Vamos a ver en este artículo qué es un aerosol desde el punto de vista de la composición estructural de la materia y cuáles son las propiedades que hacen tan especiales a los aerosoles, para mostrar a continuación la evidencia de que los aerosoles producidos cerca de personas infectadas serían un importantísimo vehículo de transmisión del contagio, razón por la que cada vez más expertos insisten en que se tengan muy en cuenta a la hora de proponer restricciones que modifiquen nuestros hábitos, por la salud y el bien de de todos.

 

¿Qué son los aerosoles?

Un aerosol es una dispersión coloidal de un sólido o un líquido en una fase dispersante gaseosa. ¿…? Bien, vale. Pero… ¿qué es un aerosol? Citemos algunos ejemplos para empezar. Son aerosoles el aire que hay dentro de una sauna o el que se respira dentro de una galería en una mina de carbón, el humo que desprende un cigarrillo y la nube de perfume que sale del frasco cuando pulsamos el atomizador (la nube es el aerosol, ¡no el frasco!). Para ver qué tienen en común y qué los distingue de otros sistemas materiales será mejor que empecemos por el principio.

Clasificación general de los sistemas materiales

Toda la materia que nos rodea se presenta ante nuestros ojos en forma de distintos sistemas materiales, que podemos clasificar para su estudio y mejor comprensión en diferentes categorías atendiendo a su composición.

Si el sistema está formado por un único componente, se trata entonces de una sustancia química pura. A su vez, las sustancias puras  pueden ser elementos químicos (hidrógeno, oxígeno, cloro, sodio) o compuestos químicos (agua, cloruro de sodio), según estén formados por una sola clase de átomos o una combinación química en proporción definida de átomos diferentes. Todas las sustancias químicas tienen una fórmula química precisa (para los elementos del ejemplo: H₂, O₂, Cl₂, Na; y para los compuestos: H₂O, NaCl)

En la naturaleza es muy difícil encontrar sustancias puras, lo más habitual es que los sistemas materiales estén formados por varios componentes, hablamos entonces de mezclas de sustancias. En las mezclas, las sustancias que las forman pueden estar todo lo “revueltas” que queramos imaginar, pero éstas no están unidas químicamente formando una nueva sustancia, por lo que la mezcla admite cualquier proporción entre sus componentes, no tiene una fórmula química propiamente dicha y las sustancias que la componen se pueden volver a separar por medios puramente físicos mediante una técnica adecuada. Un ejemplo de mezcla puede ser el agua salada (mezcla de dos componentes: H₂O y NaCl). el agua y el cloruro de sodio siguen ahí, y para separarlas basta con calentar un poco y dejar que se evapore el agua.

Las propiedades de una mezcla dependerán evidentemente de su composición y de la proporción de sus componentes. Así se nos pueden ocurrir infinitas posibilidades de sistemas materiales diferentes. Para clasificar y comprender mejor las mezclas y sus propiedades, es muy práctico considerarlas como un conjunto formado por una fase dispersante, que puede ser líquida, sólida o gaseosa, y estar formada por una o varias sustancias componentes, y una o varias fases dispersas, formadas por las sustancias que se encuentran en menor  proporción.

Dicho esto, resulta muy útil clasificar las mezclas en tres grandes categorías atendiendo al aspecto más o menos homogéneo que presentan. La homogeneidad (uniformidad de aspecto y propiedades en todas las partes de la mezcla) o heterogeneidad (falta de uniformidad)  de una mezcla es una consecuencia directa del tamaño que tienen las partículas de las sustancias que forman la fase dispersa, o lo que es muy parecido, de la cantidad total de átomos agregados que formen las partículas. Como se puede ver en la tabla, los sistemas materiales de varios componentes o mezclas en general, pueden ser:

• Disoluciones. Son mezclas homogéneas y sus partículas dispersas son extremadamente pequeñas. En este caso la fase dispersante se denomina disolvente y la dispersa soluto.

• Dispersiones coloidales o coloides. Son mezclas aparentemente homogéneas pero heterogéneas a nivel microscópico.  Las partículas dispersas son muy pequeñas.

• Mezclas heterogéneas o simplemente mezclas. Las partículas dispersas son suficientemente grandes como para distinguirse de la fase dispersante.

Por ejemplo, el  agua salada del mar sería una disolución líquida, la arena de la playa sería una mezcla heterogénea de sólidos, mientras que el agua turbia, la espuma y la bruma provocados por el oleaje serían dispersiones coloidales. 

 

 

Dispersiones coloidales y aerosoles

Para comprender qué son los aerosoles vamos a fijarnos ahora en  las dispersiones coloidales, también llamadas coloides. Las dispersiones coloidales son unos sistemas materiales muy interesantes por su abundante presencia y diversidad así como por sus múltiples aplicaciones.

Los coloides se encuentran a medio camino entre las disoluciones verdaderas y las mezclas heterogéneas. El tamaño medio de las partículas de la sustancia dispersa está comprendido entre 1 y 1000 nm (nanómetros ó millonésimas de milímetro)

Un ejemplo. Supongamos dos sistemas materiales como aire (esencialmente una disolución gaseosa de dos elementos, nitrógeno y oxígeno) y agua líquida (un compuesto químico puro). Vamos a mezclar el agua con el aire. Si dejamos evaporar el agua, las moléculas de ésta (partículas de 0,1nm de tamaño) se difunden en el seno del aire y el resultado es una disolución gaseosa de aspecto totalmente similar al aire original. Si esperamos a que el vapor de agua se condense, se formará una niebla cuando las moléculas de agua se agregan entre sí  formando pequeñísimas gotas de agua líquida de 1 a 1000 nm de tamaño, que permanecen en suspensión dispersas entre el aire de forma aparentemente homogénea; es una dispersión coloidal. Finalmente, si las gotas siguen creciendo hasta alcanzar un tamaño de décimas de milímetro o más, empezarán a ser visibles individualmente y distinguibles del aire, con lo que tendremos una mezcla heterogénea de un líquido en gas, como es la nube que va a originar la lluvia.

La tabla siguiente muestra los distintos tipos de dispersiones coloidales que pueden darse en función del  estado de agregación de la fase dispersante, formada por partículas de tamaño atómico-molecular  y que va a dar el aspecto sólido, líquido o gaseoso final a la mezcla; y de la fase dispersa, constituida por la sustancia o sustancias que, siendo insolubles en la dispersante, se reparten más o menos homogéneamente en su seno en forma de pequeñas partículas de tamaño nanométrico (nanopartículas). Como se puede ver, los aerosoles son las dispersiones coloidales formadas al dispersarse partículas microscópicas de un líquido o de un sólido en un medio gaseoso. El aspecto de un aerosol es el de una atmósfera difusa,  turbia o sucia, como puede ser la niebla o el humo. 

 

 

En la foto  puede observarse el aerosol formado en el aire de una ciudad por las partículas en suspensión (principalmente restos sólidos de combustiones y neumáticos, además de polvo). Su estructura a nivel microscópico sería más o menos como la que muestra el dibujo. La fase dispersante es el aire, que es una disolución gaseosa de 78% de nitrógeno (N₂), 21% de oxígeno, y 1% de otros gases, incluidos el dióxido de carbono (CO₂) y el vapor de agua (H₂O). La fase dispersa está constituida por pequeñas partículas de carbón e hidrocarburos, entre otras muchas más. Para hacernos una idea fiel a la realidad, en el dibujo tendríamos que imaginar las moléculas del aire en continuo movimiento de traslación chocando unas con otras y contra las partículas dispersas.

Aerosol formado en la atmósfera por la polución urbana

Algunas propiedades típicas de los aerosoles

En las dispersiones coloidales en general y los aerosoles en particular, las partículas dispersas tienen un tamaño tal que aun siendo muchísimo mayores que las del disolvente, no son lo suficientemente grandes como para que dejen de ser comparables, o como para considerarlas como una fase separada totalmente de dicho disolvente. Este hecho hace que los aerosoles no se comporten como una mezcla heterogénea de fragmentos de sólido o gotas de líquido en un medio gaseoso, pero tampoco como la disolución verdadera que sería una mezcla gaseosa totalmente homogénea. En consecuencia, los aerosoles, como los demás coloides, tendrán una serie de propiedades características y diferenciadoras de los demás sistemas materiales. Resumamos las más importantes:  

Propiedades ópticas.

Tienen que ver con la propagación de la luz en el medio. La más característica es la dispersión luminosa. A diferencia de una verdadera disolución gaseosa como el aire limpio, un aerosol presenta el llamado efecto Tyndall que consiste en la dispersión de un rayo de luz que lo atraviese, que hace que se ensanche y se haga visible. En el aire limpio no se vería el paso del rayo.

Propiedades cinéticas.

Están relacionadas con el movimiento de las partículas que forman el aerosol. La más significativa es el denominado movimiento browniano. Éste fenómeno fue descubierto accidentalmente observando al microscopio un sol (coloide de sólido en líquido) en el que se veían las partículas dispersas en constante agitación. Fue explicado y cuantificado por A. Einstein como el resultado de las colisiones aleatorias entre las moléculas de  la fase dispersante (invisibles al microscopio) y las micropartículas de la fase dispersa.

Propiedades electrostáticas.

Las partículas de los aerosoles pueden tener descompensaciones en la neutralidad de su carga eléctrica por ionización o polarización; además, estas partículas tienen una relación superficie/volumen enorme, dado  su  pequeño tamaño. Debido a esto, las propiedades eléctricas se manifiestan sobre todo en la superficie de las partículas, por lo que va a dar lugar a unas interesantes propiedades de naturaleza superficial. Una de éstas es la adsorción, que es la tendencia a retener adheridas a la superficie de la partícula del aerosol otras partículas diferentes que puedan estar presentes. Cuando la adsorción da lugar a que se unan unas partículas con otras formando copos cada vez mayores, favoreciendo así la sedimentación del aerosol por efecto de la gravedad, se habla entonces del fenómeno de floculación.

 

Factores que influyen en la estabilidad del aerosol

Conociendo las propiedades anteriores, estaremos en condiciones de comprender qué factores determinan la persistencia y estabilidad de un aerosol, es decir, la permanencia o precipitación de las partículas de la fase dispersa en el seno de la fase dispersante.

Vamos a centrarnos ya en los casos más concretos de un aerosol líquido como el formado por una niebla o el aire exhalado por una persona al hablar o toser, o también el aire en el que se ha dispersado el humo expulsado por una persona que está fumando.

Los aerosoles que se forman en estos casos definen un sistema polidisperso liófobo, lo que quiere decir que las partículas de líquido (gotitas de agua) o sólido (micropartículas de ceniza) que están dispersas en el seno del gas (aire) son de muy diferentes tamaños y están claramente separadas de éste porque no son solubles en él. Hay una superficie de separación neta entre cada partícula y el aire que la rodea, denominada interfase, en la que tienen lugar interacciones superficiales de naturaleza electrostática o cinética, tanto con el aire como entre partículas próximas. El balance de estas interacciones será el que determine la estabilidad del aerosol y, con ésta, el tiempo de permanencia en suspensión de las partículas dispersas, su crecimiento en tamaño debido a la adsorción superficial y la consiguiente tendencia a precipitarse por gravedad, e incluso su tendencia a retener en la interfase otras partículas de menor tamaño como puede ser ¡un coronavirus!

Teniendo en cuenta todo esto, la permanencia de un aerosol de determinada concentración en el aire será mayor o menor en función de varios factores:

La densidad.

O mejor dicho, la diferencia de densidad de la fase dispersa con el gas. La gravedad actúa tendiendo a precipitar las gotitas de líquido o de sólido, que siempre serán mucho más densas que el aire.

El tamaño medio de las partículas dispersas. 

Cuanto menor sea éste, más tiempo permanecen en dispersión. Si su radio es inferior a 1000 nm (10^-6 m) el movimiento browniano ya es suficientemente importante como para impedir la sedimentación de las partículas.

La composición.

Concretamente, la composición del aire y la composición y estructura de las sustancias que forman las partículas dispersas en éste. Esto influye en la intensidad de las interacciones eléctricas gas-líquido y líquido–líquido en la interfase, favoreciendo o perjudicando la floculación de las partículas. Así, si el resto de las condiciones fuesen iguales, el humo tendería a persistir más que la niebla, y el aerosol resultante de un estornudo duraría más en aire seco que húmedo.

La temperatura. 

Actúa principalmente favoreciendo la agitación de las partículas, favoreciendo la dispersión frente a la sedimentación.

Las superficies externas. 

La extensión, rugosidad y material de las paredes del recipiente que contiene al aerosol o de otras superficies de objetos presentes determinan que exista una adsorción adicional de las partículas que tiende a irlas retirando del aerosol.

La convección. 

Es el efecto producido al remover el aire, que favorece totalmente la permanencia de las partículas en suspensión e impide su sedimentación por gravedad. Sería un gran error pretender disipar una niebla o un ambiente cargado de humo de tabaco en una habitación cerrada haciendo funcionar un ventilador.

La ventilación. 

Consiste en introducir aire puro y a la vez dejar espacio libre para evacuar el aerosol que estaba presente. No se sedimenta el aerosol, simplemente se lo echa afuera. Evidentemente este es el método más rápido y efectivo para hacer desaparecer un aerosol de un recipiente cerrado o de una habitación.

 

Los aerosoles como vehículo de contagio de la COVID-19

Parece ya fuera de toda duda que los aerosoles en el entorno de las personas infectadas por el coronavirus SARS-CoV-2, responsable de la pandemia de COVID-19 tienen un papel protagonista como en el contagio a otras personas. Ya sea porque los exhalen ellas mismas o porque esos aerosoles ya estén presentes en el ambiente.

La veracidad de esta hipótesis parece muy probable teniendo en cuenta las propiedades de los aerosoles y las características del virus, así como el mecanismo de la respiración humana. Para sostener su verosimilitud, podemos partir de algunos datos comprobados que nos permiten hacer algunas estimaciones.

El diámetro de un virus SARS-CoV-2  es de unas 0,07 micras (70 nm = 7.10^-7 m)

Se ha comprobado mediante PCR cuantitativa que una persona infectada puede aportar entre diez mil y diez millones de coronavirus por mililitro de saliva.

Cada vez que una persona infectada estornuda o tose, emite al aire una cantidad importante de gotitas microscópicas de saliva, llamadas gotas de Flügge, cuyo diámetro es de varias decenas de micras (más de 10.000 nm =10^-5 m).

Además de al toser o estornudar, cuando una persona jadea o habla a voces, y por supuesto cuando fuma,  emite miles de gotitas o nanopartículas de unas decenas a un millar de nanómetros de tamaño que forman un aerosol, como puede apreciarse en la fotografía. Se han hecho estudios sobre la permanencia de estas pequeñas gotas en el aire estanco antes de sedimentar llegando a la conclusión de que las gotas de 100 micras de radio se depositan en 10 segundos,  pero las de 10 micras ya  permanecen hasta 17 minutos. Finalmente, las de 1 micra (1000 nm) que ya entrarían en la categoría de las partículas de un aerosol propiamente dicho permanecen dispersas en suspensión por un tiempo indefinido.

La imagen  muestra un estornudo: una lluvia de gotas más grandes (en verde) cuyas trayectorias pueden alcanzar hasta dos metros desde la persona que estornuda  y una nube (en rojo) compuesta por gotitas más pequeñas suspendidas en el aire. (Fotografía de Lydia Bourouiba, MIT. Publ. En National Geografic)

 

Con los datos anteriores se pueden hacer algunas estimaciones:

Una persona infectada puede expulsar  al aire un número de coronavirus del orden del número de pequeñas gotitas se forman, y hay que tener en cuenta que éstas se cuentan por miles o más.

Una partícula coloidal de un tamaño de 1000 nm del aerosol que se forma al exhalar podría albergar en teoría más de un centenar de coronavirus distribuidos por su superficie. Esto no quiere decir que sea así, pero sí que indica que los virus pueden permanecer “a sus anchas” adsorbidos superficialmente a estas partículas. El peligro estriba en que cuando una persona infectada jadea o eleva la voz, y no digamos ya si estornuda o fuma, estos aerosoles contaminados son proyectados a gran distancia y permanecen dispersos en el aire durante un tiempo indefinido. En consecuencia es lógico pensar que si se está en un espacio cerrado, no se sustituye el aire de la estancia en la que se forma ese aerosol “infectado” y no se renueva rápidamente por aire sano del exterior mediante ventilación hacia afuera o circulando  por un circuito con filtros, la posibilidad de contagiar a las demás personas presentes será muy alta. Hay que tener en cuanta además que las partículas del aerosol menores de 5 micras pueden penetrar por las vías respiratorias y depositarse en las fosas nasales o llegar directamente hasta los pulmones, donde la infección sería más grave.

 

¿Cómo se está afrontando el problema?

Varios equipos de expertos ya llevan tiempo haciendo estudios encaminados a verificar la hipótesis del contagio por aerosoles. Así, en aquel famoso estudio inicial del 16 de abril acerca de la persistencia del virus sobre diferentes sustratos ya se advertía de que la estabilidad de los aerosoles los haría ser sería mucho más importantes que las pequeñas gotas en la difusión del virus. En ese mismo mes, un equipo interdisciplinar de 35 científicos coordinados por la Dra. Lidia Morawska concluían que, estimando por lo bajo, más del 75% de los contagios estarían producidos por los aerosoles. Así se lo comunicaron a la OMS (Organización Mundial de la Salud), insistiendo en que “la propagación del virus por el aire es real y peligrosa, y las autoridades sanitarias tienen que informar y actuar ya”. La OMS desoyó las evidencias presentadas por este grupo, hasta que el 6 de julio, en una carta abierta publicada en la revista Clinical Infection Diseases, encabezada por el Dr. Milton y firmada por 239 científicos expertos más, se volvía una vez más a destacar la responsabilidad de los aerosoles  en la propagación de la COVID-19. Tras reunirse con la OMS, ésta modificó tímidamente su postura citando la “hipótesis de un contagio por aerosoles”.

Al principio la OMS parece que no supo o no quiso reconocer la evidencia de la responsabilidad de los aerosoles en la propagación de la pandemia, quitándole importancia al problema y escudándose en el argumento de que no estaba suficientemente probado con estudios científicos. Pero las evidencias citadas exigían desde el primer momento la aplicación del Principio de precaución. Recordemos que este principio exige atajar la presunta causa del problema antes de que llegue a demostrarse al 100% su más que probable efecto. El de los aerosoles producidos en espacios cerrados con personas que se concentran dentro es un caso claro en el que debe ser aplicado este principio de precaución y tomar inmediatamente medidas contundentes que contribuyan a frenar la expansión de la pandemia, como de hecho ya se está haciendo en muchos casos, independientemente de que haya muchos estudios o pocos. A día de hoy, las autoridades políticas y sanitarias de muchos países aun son reacias a dictar normas higiénicas de actuación drásticas para evitar la exposición a estos aerosoles, quitándole importancia al problema, o ignorándolo directamente. Suscribo humildemente la opinión de los expertos, de que ese no es el camino adecuado.

Moraleja: En espacios cerrados hay que evitar la concentración de personas, llevar siempre la mascarilla correctamente colocada y asegurar la ventilación al exterior o la filtración inmediata del aire. Los aerosoles no descansan mientras nosotros esperamos pasivamente a que se generalice la vacunación.

 

 

XXXIII Congreso de ENCIGA

 

El pasado sábado 18 de noviembre se clausuró la trigésimotercera edición del Congreso anual de la Asociación de Ensinantes de Ciencias de Galicia ENCIGA, que como consecuencia de la crisis de la COVID-19  se ha celebrado en línea y de modo no presencial por primera vez en su ya larga historia.

ENCIGA ( http://www.enciga.org/ )  es una asociación gallega de profesores que tiene como objetivo principal mejorar la calidad de la enseñanza en las áreas matemáticas, científicas y tecnológicas en los niveles educativos no universitarios. Fue fundada en enero de 1988 y está a punto de cumplir 33 años de actividad ininterrumpida.

La Asociación agrupa esencialmente a profesores de Galicia, aunque  cuenta con socios de otros lugares, no solo de España sino también del extranjero. Mayoritariamente son  profesores de E. Secundaria, pero también hay una presencia significativa de docentes de E. primaria y universitaria entre los 400 socios con que cuenta actualmente.

 

ENCIGA edita anualmente tres números del Boletín das Ciencias (enlace al boletín), la revista que trata de impulsar y dinamizar los trabajos científicos o didácticos de investigación educativa e intercambio de información entre asociados y colaboradores. El Boletín tiene una tirada de 2000 ejemplares y además de artículos, edita números sobre temas monográficos y un número especial con las ponencias de cada Congreso Anual.

 

 

El Congreso Anual de ENCIGA 

Es el principal acontecimiento anual de la asociación, que además de un objetivo formativo tiene un fin claramente social de acercamiento, convivencia  y amistad, abierto a todos los participantes ya sean socios o no. El congreso se ha venido celebrando puntualmente  durante tres días consecutivos del mes de noviembre todos y cada uno de los 33 años de vida de la asociación, rotando por otras tantas villas y ciudades gallegas.

El contenido de estos congresos es variado y  ha conseguido mantenerse siempre a buen nivel de calidad, a pesar de celebrarse con frecuencia anual. Incluye comunicaciones y talleres de Física y Química, Matemáticas, Ciencia Naturales e Interdisciplinares, que se dan en paralelo, además de tres conferencias generales siempre a cargo de personalidades de reconocido prestigio científico; y por supuesto, incluye un programa de visitas, excursiones  y actividades de confraternización. La asistencia al Congreso está reconocida oficialmente con 15 créditos de formación docente.

 

El XXXIII Congreso

Reunió a un centenar de asistentes, durante la mañana y la tarde de los sábados, días 14 y 28 de noviembre, que lo pudieron seguir en línea desde sus domicilios y centros de trabajo a través de la plataforma  Teams  de MS Office.

 El programa del congreso incluía 33 comunicaciones y talleres sobre temas muy variados, algunos de los cuales fueron por ejemplo, geometría, historia de la ciencia, actividades en el aula, ciencia y emociones, radiactividad, ciencia y arte, determinación de vitaminas y proteínas, zoonosis y, como no podía ser de otra manera, el omnipresente covid-19. ( enlace al programa)

Hubo tres interesantes conferencias  en directo cuyos títulos y conferenciantes se citan a continuación (enlace a conferencias):                                                                              

• As matemáticas da covid. Por Iván Area Carracedo

• Las tierras raras, lámpara de Aladino para nuestra sociedad de alta tecnología. Por Ricardo Prego.

• Crónica científica dunha pandemia anunciada. Por Sonia Villapol

A pesar de la extrañeza y de las dificultades que suponía celebrar un congreso de estas características a través de la red, el resultado fue un éxito de organización, participación y contenido, por lo que no cabe otra cosa que felicitar al comité organizador y a la directiva de la asociación, así como a todos los ponentes y participantes, por haber hecho posible este congreso de forma tan satisfactoria.

Parabéns e moitas grazas a todas e todos.

¡Vémonos o ano que vén!

 

 

El vino con el agua, ¿pero no era que se mezclaban?

 

La dinámica de fluidos 

Es uno de esos temas ignorados reiteradamente en el currículo de la Física de Secundaria. Desde 2º de ESO  hasta 2º de Bachillerato, un alumno habrá estudiado durante cuatro años consecutivos las leyes que describen cómo se desliza un bloque por un plano, pero ignorará por completo por qué se va perdiendo presión por las tuberías de agua, por qué algunos líquidos fluyen bien y otros mal, o por qué las alas permiten volar.

Aunque no sea más que a nivel cualitativo, es importante que los jóvenes estudiantes conozcan algunos conceptos importantes de la dinámica de fluidos, tanto por los fenómenos de la vida cotidiana en los que se ponen de manifiesto como por sus muchas aplicaciones tecnológicas. Me estoy refiriendo en concreto a aspectos de la mecánica de fluidos como los conceptos de presión, velocidad y caudal, la fluidez y viscosidad,  la difusión y convección, el efecto Venturi, o la turbulencia.

Para ilustrar algunos de estos aspectos propongo a continuación una sencilla pero asombrosa experiencia de hidrodinámica que se puede realizar en casa, no requiere conocimientos previos ni materiales especiales y su realización, fácil y breve, está al alcance de cualquiera.

 

Una experiencia casera con agua y vino

Haciendo clic en el enlace  podrás ver un guión de esta práctica que se puede descargar.

Para empezar hay que colocar con cuidado un vaso de vino tinto y otro igual de agua tal como se ve en la primera foto. Ambos vasos han de estar invertidos, completamente llenos hasta el borde y separados por una lámina impermeable. ¿Cómo se consigue esto?, piensa un poco.

A continuación retiramos con cuidado y sólo un poco la lámina separadora, justo lo suficiente para poder observar cómo el vino, menos denso que el agua, comienza a fluir hacia arriba; mientras que, de forma paralela, el agua fluye hacia abajo (segunda foto).

Pasados unos minutos (tercera foto) podremos observar que el vino y el agua se están reemplazando mutuamente sin que se produzca la esperada mezcla entre ellos, ¿por qué no se mezclan si todos sabemos que el agua y el vino son miscibles en cualquier proporción?

Finalmente (cuarta foto) el vino y el agua habrán cambiado de vaso sin mezclarse. Ahora es el momento de hacerse preguntas y de tratar de explicar científicamente qué es lo que ha pasado aquí.

¿Qué ha sucedido? Análisis de algunos conceptos relacionados con esta experiencia

El vaso de agua con la cartulina se puede colocar fácilmente boca abajo sin  que ésta se caiga sobre el vaso de vino gracias a que la presión atmosférica la oprime con fuerza contra la boca del vaso, superando al peso del agua.

La diferencia de densidad (el vino es una disolución hidroalcohólica menos densa que el agua) provoca, según el principio de Arquímedes, un empuje vertical del agua sobre el vino que tiende a hacerlo flotar sobre ésta, tratando de desplazarlo hacia arriba.

La pequeña abertura que deja la lámina hace que la velocidad de convección de un líquido sobre el otro sea muy pequeña, por lo que consigue un régimen laminar de convección, en la que todas las partículas del fluido se desplazan de forma paralela, sin turbulencias.

Agua y vino son dos líquidos totalmente miscibles, es decir, la solubilidad de uno en el otro es del 100%, y sin embargo acabamos de ver que no se disuelven el uno en el otro a pesar de fluir en contacto el uno con el otro.

La explicación radica en que al ser el flujo laminar, sin turbulencia, la superficie de contacto entre los dos fluidos es pequeña y estacionaria, por lo que la única posibilidad de mezclarse es por el fenómeno de difusión, que en este caso es tan lenta que no llega a apreciarse una mezcla significativa mientras dura la experiencia. Es por eso que removemos al tratar de disolver una sustancia en un líquido, para que la convección o desplazamiento del líquido de forma turbulenta aumente ilimitadamente la superficie de contacto y  le arrebate a la siempre lenta difusión el control de la mezcla.

Un análisis más profundo  nos lleva a preguntarnos qué es lo que determina el régimen en el que va a fluir un líquido, si va a ser laminar o turbulento. La clave está en el valor numérico de una magnitud adimensional denominada número de Reynolds (N_R), que depende a su vez de la densidad (ρ), la viscosidad (μ) y la velocidad (v) del fluido y del diámetro (D) del tubo por el que fluye. Para un tubo de sección circular, la relación viene dada por la expresión:  

N_R = ρ.v.D / μ

En el caso de conducciones rectas, si  el valor de N_R es menor que 2320 entonces el régimen de flujo es laminar y por encima de ese valor pasa a ser turbulento.   

Como se ve en la fórmula, cuanto más lento y estrecho sea el tubo de corriente y más viscoso y ligero sea el fluido, menor será el número de Reynolds y más fácil será conseguir que fluya en régimen laminar, como por ejemplo sucede en un chorro de aceite frío, en comparación con la caída turbulenta de un chorro de agua. 

Una experiencia sencilla para ilustrar esto consiste en dejar salir un hilo de agua por un grifo casi cerrado como se puede ver en la foto. En ésta se observa cómo aparece inicialmente un flujo laminar que pasa a ser turbulento a partir de un punto en el que la velocidad del agua, que aumenta con la altura bajada, alcanza el valor crítico para el que N_R sobrepasa el valor de 2320.

 

 

 

 

El sencillo (pero tramposo) experimento de pesar el aire

¡El aire pesa!, compruébalo tú mismo realizando este fácil experimento. Esta es la sugerente invitación que en más de una ocasión hemos visto en algunos libros de texto o en videos de Youtube.  El experimento propuesto consiste en equilibrar una improvisada balanza de platillos con dos globos hinchados colgados uno en cada brazo, pinchar uno y ver cómo la balanza se desequilibra a favor del que tiene aire dentro. También está la versión cuantitativa, que pesa en una balanza primero el globo desinflado y después lleno de aire, observando con sorpresa que éste pesa una décima de gramo más. En estos enlaces podemos encontrar un par de ejemplos: experimento 1 , experimento 2

¿Queda demostrado que el aire pesa? ... pues ¡NO!

Entonces ¿por qué se desequilibra la balanza? ¿qué es lo que prueba eso?. Para responder a estas preguntas hay que tener en cuenta el principio de Arquímedes, que en este caso hemos ignorado fatalmente.

En rigor, lo único que demuestra este experimento sencillo es que el aire viciado y algo comprimido que llena un globo hinchado tiene una densidad ligeramente mayor que el aire del exterior. De hecho, estos experimentos que tratan de pesar aire estando inmersos en el mismo aire son tan ingenuos e inútiles como tratar de pesar el agua de una botella pesándola dentro de una piscina: está claro que sólo obtendríamos el peso del recipiente y no el del agua que contiene. Además, como vamos a ver ahora, el aire contenido en el globo pesa mucho más de lo que marca la balanza.

Pero entonces ¿qué es lo que estamos pesando?

Los gramos que marca la balanza son en realidad la masa cuyo peso sería igual a la fuerza resultante que presiona el platillo, es decir, que incluye todas las fuerzas que están actuando sobre el globo que vamos a pesar y que, como podemos ver en la figura, son: peso del globo (P_G) más el peso del aire que contiene (P_A) menos el empuje del aire circundante sobre el globo hinchado (E). El empuje sobre el globo deshinchado se desprecia por ser muy pequeño y no variar de una pesada a la otra. 

Hagamos un cálculo estimativo con el ejemplo del video del experimento 2 en el que la diferencia entre los “pesos” aparentes del globo desinflado y el inflado (alrededor de 1 litro de volumen) resultó ser de 0,1 g. La densidad del aire es d_a = 1,2 kg/m³

• Peso de aire contenido en el globo:   

             P_A = m.g = d_a.V.g = 1,2 kg/m³. 0,001 m³. 9,8 N/kg  = 0,012 N

• Masa del aire contenido en el globo:          

             m = P_A / g = 0,012 N / 9,8 N/kg = 0,0012 kg = 1,2 g

• Empuje del aire exterior: 

            E = d_a.g.V = 1,2kg/m³. 9,8 N/kg . 0,001 m³ = 0,012 N

Como se ve, el peso del aire del globo está equilibrado con el empuje, y además la masa del aire es en realidad ¡12 veces mayor! de lo que parece demostrar el experimento.

Entonces ¿por qué se desequilibra la balanza y marca 0,1 g? La respuesta tiene que ver con el hecho de que el aire del interior del globo no está en las mismas condiciones que el del exterior, lo que hace que sus densidades sean ligeramente distintas y que el peso de un mismo volumen de aire V también difiera. De hecho, el aire que llena el globo está a una presión algo mayor y contiene dióxido de carbono y vapor de agua, dos factores que hacen que su densidad y por lo tanto su peso sean un 0,1% mayores; lo justo para desequilibrar la balanza a favor del globo hinchado.

En conclusión:

Será mejor que no confundamos a la gente con experimentos engañosos. ¿Pero entonces no podemos pesar directamente el aire con un experimento sencillo? La respuesta es SÍ, pero en vez de un globo será necesario usar un recipiente que mantenga su volumen constante y que sea fácil de llenar o vaciar de aire. Haciendo clic en este enlace puedes ver cómo hacerlo fácilmente usando una jeringuilla y una balanza de centigramos. Así lo probamos en el aula y entonces sí que salieron las cuentas.