¿Por qué se ahoga una mosca? ¿Qué es la tensión superficial? Un arma de doble filo.

Muchas veces hemos escuchado hablar de la tensión superficial: que si pompas de jabón, gotas encima de una moneda, la forma de una gota de agua pero ¿qué es la tensión superficial? y más interesante ¿Por qué se ahoga una mosca en el agua?
Resulta que la tansión superficial es un arma de doble filo, tanto puede dar la vida como la puede quitar.
Y aunque parezca mentira, todo esto surgió al ver insectos ahogados en el agua al borde de una piscina.
[SPOILER: Aguantad hasta el final. Y si ya sabes lo que es la tensión superficial puedes bajar hasta un poco más abajo ;)]

¿Qué es la tensión superficial?

La definición rigurosa y oficial de la tensión superficial puede ser algo complicada de entender si no sabemos de antemano sus efectos y su forma de actuar.
Sin embargo, atendiendo a las dos palabras que forman este concepto podemos entender fácilmente los entresijos de la física que lo genera. Divide y vencerás.

Tensión

Según la 1ª y la 11ª acepción de la RAE, la tensíon puede bien ser ” El estado de un cuerpo sometido a la acción de fuerzas opuestas que lo atraen. ” o bien ” Fuerza de tracción a la que está sometido un cuerpo.
Esto ya nos está dando una pista muy grande, nos está diciendo que tiene que ver con una FUERZA.
Esta pista es intuitiva, todo el mundo está acostumbrado a tratar con fuerzas a diario: la fuerza de la gravedad, la fuerza de aceleración en un coche, la fuerza que tienes que tener para levantar la bolsa de la compra o la fuerza (de volutnad) para levantarse por la mañana de la cama :P, entendiendo en todas ellas que esa fuerza es una resistencia que puede facilitar o dificultar el movimiento.
De aquí podemos sacar como conclusión que al hablar de la tensión superficial va a haber una fuerza en juego, pero hasta aquí no sabemos ni de qué tipo ni cómo va a manifestarse.

Superficial

En este caso, la RAE nos deja como estabamos, con el singificado común y habitual de la palabra: ” Perteneciente o relativo a la superficie.
Aun así, esta segunda palabra es clave y esclarecedora. Nos está diciendo que la fuerza de la que hablábamos antes se da SOLO en la superficie y no en el interior del cuerpo o de la sustancia en la que se manifiesta. Y aunque no lo parezca, aquí esta el quid de la cuestión.

Tensión superficial

Tras el análisis léxico de la tensión superficial hemos aclarado que estamos hablando de algo producido por una fuerza y que se manifiesta en la superficie, pero no sabemos por qué se da en la superficie, en qué tipos de sustancias aparece y a qué se debe esa fuerza.

La tensión superficial es una propiedad única de los líquidos, no aparece ni en gases ni en los sólido. Para entender que sea exclusivo de los líquidos hay que atender a las fuerzas que rigen cada uno de esos estados de la materia, a partir de ahí el resto es pan comido.

Que cierta sustancia esté en un estado de agregación de la materia (sólido, líquido o gas) u otro es debido al tipo de enlace e interacción que hay entre los átomos o moléculas del mismo. Además, en general1, podemos hacer que una sustancia pase de un estado a otro simplemente aumentando o disminuyendo su temperatura.
Para entender esto podemos simplificar y considerar que solo hay dos fuerzas en juego entre los átomos de una sustancia: la fuerza de enlace o interacción (que tiende a unirlas) y la energía cinética de las mismas (que tiende a separarlas y depende de la temperatura: cuanta más temperatura más vibran y más rápido se mueven).

1: En realidad hay unos cuantos estados de agregación de la materia más, como el plasma. Además se puede pasar de uno de ellos a otro por un mecanismo distinto al mencionado de aumentar o bajar la temperatura mediante un fuerte campo eléctrico que arranque electrones a los núcleos dejando un gas cargado electricamente (plasma).

Gases, líquidos y sólidos

Las interacciones entre los átomos o moléculas de los gases son muy pequeñas aunque no inexistentes. La energía cinética (que depende de la temperatura) de sus moléculas es mayor que la energía de los enlaces o interaciones entre si, por lo que estas no pueden mantener a las moléculas “unidas” entre ellas, además de que las distancias entre los átomos de los gases son grandes.
Es decir, los átomos de los gases van tan rápidos y están tan lejos que las pequeñas fuerzas entre sus átomos no pueden hacer que se acoplen unos a otros.

En los sólidos pasa lo opuesto. Los enlaces entre los átomos o moléculas son tan fuertes y estan tan cerca que el movimiento de los mismos (energía cinética) poco puede hacer para separarlos.

Ahora bien, los líquidos estan a medio camino entre sólidos y gases. Las distancias entre las moléculas de los líquidos es mayor que en el caso de los sólidos y menor que en el de los gases, además, las fuerzas entre las moléculas toman un papel más importante y gracias a ellas surgen la viscosidad y la tensión superficial.

Si cogemos la lupa y miramos qué fuerzas actúan sobre una molécula del líquido [Figura 1] veremos que en el interior del mismo, sobre una molécula se anulan todas las fuerzas, ya que al estar rodeada por otras, las fuerzas de un lado se cancelan con las del otro resultando una fuerza neta nula.
Sin embargo las moléculas en la superficie del líquido no tienen otras moléculas por encima suyo, por lo que la fuerza neta no es nula sino es hacia el interior. Además, las moléculas en la superficie tienen enlaces entre ellas (cohesión) haciendo que la superficie se minimice (y por ello se forman gotas de agua).
Si “empujas” hacia abajo una molécula de la superficie habrá dos fuerzas que la empujen hacia arriba: la de la presión del líquido hacia afuera y la que hacen las moléculas de su alrededor al estar enlazadas a ella y haberla desplazado de su posición de equilibrio crendo una especie de cama elástica.

Fuerzas líquido
Figura 1: Fuerzas en las moléculas de un líquido (foto de wikipedia)

La ecuación que nos da la fuerza que ejerce la tensión superficial es:

T= γ l

Siendo T la fuerza, γ la tensión superficial que es una propiedad de cada líquido y l la distancia de pared a pared del contendero del líquido.
Para el agua γ=72,75 ·10-3 N/m .

Ahora que sabemos un poco más sobre la tensión superficial es fácil enteder por qué los zapateros andan sobre el agua, por qué una gota de agua no se desborda sobre una moneda o el por qué de las curiosas fotografías a los nadadores saliendo del agua.

¿Por qué se ahoga una mosca?

Como comentaba al comenzar esta entrada, un día estando en la piscina me fijé en que en el interior de la piscina, en los bordes pegando a las paredes había insectos ahogados.
¿Cómo puede ser esto posible si la tensión superficial hace que los insectos floten encima del agua?
Entonces una bombillita se encendió en mi cabeza: ¿Es posible que, al igual que la tensión superficial del agua hace que los insectos no puedan hundirse, esta haga todo lo contrario si un insecto logra hundirse haciendo que no logre atravesarla de abajo hacia arriba y salir a la superficie?

Tenemos una hipótesis y unas observaciones, ahora toca diseñar el experimento para comprobar si estamos en lo cierto.

AVISO: No soy partidario de matar seres vivos sin motivo alguno, ni siquiera insectos. Por lo que la mosca de este experimento al finalizarlo se liberó y dejó libre. Durante el experimento no sufrió mayor disgusto que el que puede experimentar un día de lluvia.

Lo principal y más difícil fue atrapar una mosca. Una vez atrapada la introduje en un bote de cristal y lo llené de agua.

Vídeo 1: mosca flotando


Si calculamos la fuerza debida a la tensíon superficial del agua que sustenta a la mosca, teniendo en cuenta que esta mide unos 5 milímetros, obtenemos que es de T=0,00036 N.
Ahora calculamos el peso de la mosca. La mosca tiene entre 5 y 20mg de masa, por lo que usaremos el valor de 20mg para ponernos en el caso extremo. Usando la segunda ley de newton F=ma obtenemos que su peso es de F=0,000006 N.
Comprobamos que la tensión superficial que ejerce el agua es mayor que el peso de la mosca, por lo que la mosca podrá flotar sobre el agua como se puede ver en el Vídeo 1.

Pero claro, si por algún motivo la mosca llegase a sumergirse bajo el agua (por una gota de lluvia, un nadador…) se encontaría que esta fuerza que poco antes estaba evitando que se sumergiese, ahora está impidiendo que pueda emerger ya que a pesar de que los insectos, para el tamaño que tienen tienen mucha fuerza, en el caso de la mosca no es suficiente como para atravesar esta fuerza debida a la tensión superficial.
En el siguiente vídeo se puede ver esto mismo en dos recipientes diferentes y de distinto diámetro para comprobar que no se debiese a que se quedaba pegada en los bordes.

Vídeo 2: mosca bajo el agua

Este es el motivo por el que la tensión superficial puede dar tanto la vida como quitarla, y todo serparado por una fina capa de moléculas.

¿Por qué se amontonaban en los bordes?

Por último, algún motivo tendría que los insectos estuviesen amontonados en las paredes de la piscina.
De la misma forma que tenemos las fuerzas entre moléculas de agua (cohesión), también tenemos tenemos las fuerzas entre el líquido y el sólido (adhesión) que forma el recipiente, ya sea la piscina o el bote de vidrio debido a las cuales se generará un menisco justo donde hace contacto el líquido con el recipiente.
Como curiosidad este es el fenómeno que daría lugar a la capilaridad si el recipiente fuese muy estrecho.

Menisco
Figura 2: menisco generado por la adhesión líquido-sólido.

El menisco también puede jugar dos papeles muy distintos: si la mosca está flotando por encima del agua, este menisco hará de tobogán y la alejará de la pared impidiendo que llegue a la misma y pueda subir por ella. Esto se puede ver en el primer clip del vídeo 3.
En cambio, si la mosca está bajo el agua y se acerca al borde, el menisco, que tiene un poco más de agua, tirará de ella hacia arriba, ya que la mosca flota y en esa región también experimentará el empuje por flotabilidad que hará que se quede atrapada al lado de la pared. Esto puede verse en el anterior vídeo 2.

Vídeo 3: mosca siendo empujada por menisco

En definitiva, si nos ponemos las gafas físicas o gafísicas y miramos al mundo con ellas, podremos ver que en todos los rincones de la vida hay fenómenos físicos curiosos que nos pueden sorprender.
Y es que la belleza no está en lo observado, sino en los ojos del observador.


Si has llegado hasta aquí y estás preocupado/a por la mosca, no tienes de que preocuparte, al acabar la saqué al sol en la terraza donde se sacudió las alas y echó a volar. En el siguiente vídeo puede ver cómo la solté.
Muchas gracias por leerme 🙂

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