La acción capilar y sus fundamentos en física: adhesión, cohesión y dinámica de fluidos; aprende cómo los líquidos suben en tubos estrechos y tejidos.
Demostración de Acción Capilar
La acción capilar es un fenómeno físico que ocurre cuando un líquido se mueve a través de un material poroso o en espacios estrechos sin la ayuda de fuerzas externas, como la gravedad. Este efecto es crucial en una variedad de procesos naturales y aplicaciones industriales, desde la subida del agua en las plantas hasta la tinta que fluye en una pluma. En este artículo, exploraremos los conceptos de adhesión, cohesión y dinámica de fluidos que hacen posible la acción capilar.
Adhesión y Cohesión
Para entender la acción capilar, primero debemos comprender los conceptos de adhesión y cohesión:
Cuando un líquido entra en contacto con una superficie sólida, la adhesión y la cohesión trabajan conjuntamente para determinar cómo interactuará el líquido con esa superficie. Si la adhesión es más fuerte que la cohesión, el líquido tenderá a “mojar” la superficie, subiendo por las paredes del tubo o esparciéndose sobre la superficie. Si la cohesión es más fuerte, el líquido tenderá a formar gotas y no mojará la superficie.
Teoría de la Dinámica de Fluidos
Ahora que hemos cubierto los conceptos básicos de adhesión y cohesión, podemos profundizar en la dinámica de fluidos, la rama de la física que estudia el movimiento de los líquidos y los gases. La acción capilar se puede explicar utilizando las ecuaciones fundamentales de la dinámica de fluidos.
Una ecuación importante en este contexto es la ecuación de Young-Laplace, que describe la diferencia de presión a través de la superficie de un líquido debido a la tensión superficial:
\[
\Delta P = 2\gamma \left(\frac{1}{R1} + \frac{1}{R2}\right)
\]
donde:
En el caso de un tubo capilar, la ecuación se simplifica aún más. Supongamos un tubo capilar cilíndrico de radio r, la ecuación de Young-Laplace se convierte en:
\[
\Delta P = \frac{2\gamma}{r}
\]
Esta diferencia de presión es lo que impulsa el líquido a subir o bajar por el tubo capilar.
Ingreso Capilar en Tubos
Para un tubo capilar vertical inmerso en un líquido, el equilibrio de fuerzas determina la altura hasta la cual el líquido subirá dentro del tubo. La fuerza ascendente debido a la adhesión entre el líquido y las paredes del tubo debe equilibrar la fuerza descendente de la gravedad.
La altura h hasta la que sube el líquido se puede calcular mediante la siguiente fórmula, conocida como la ecuación de Jurin:
\[
h = \frac{2\gamma \cos \theta}{\rho g r}
\]
donde:
Esta ecuación nos dice que la altura hasta la que subirá el líquido en el tubo capilar es inversamente proporcional al radio del tubo; cuanto más estrecho sea el tubo, mayor será la altura alcanzada por el líquido.
Aplicaciones de la Acción Capilar
La acción capilar juega un papel crucial en numerosos procesos naturales y tecnológicos. Aquí hay algunos ejemplos destacables: