La gota que “orbita” la aguja en la ISS (explicación)

Hace unos días apareció por en internet un video con un interesante efecto de una gota “orbitando” una aguja desde la ISS. Dos de los físicos de Amazings se han animado a subtitularlo (Arturo Quirantes) y ofrecer una explicación del curioso efecto (Ivan García Cubero).

A pesar de que las leyes de la física son iguales en todos los puntos del espacio, el comportamiento de la materia no siempre sigue esta máxima. En el espacio, más precisamente en la Estación Espacial Internacional, al estar permanentemente en un estado de caída libre y por tanto de microgravedad o gravedad cero, aparecen comportamientos realmente llamativos. Uno ejemplo de esto es el agua.

La manera en que un líquido en la Tierra adquiere su mínima energía o equilibrio es adquiriendo la forma del recipiente que lo contiene. Sin embargo, en microgravedad el equilibrio es una forma esférica, como una supergota.

Astronauta Leroy Chiao.

Ahora bien, ¿recordáis el sencillo experimento que todos realizamos de pequeños de peinarnos y luego acercar el peine a un chorro de agua para ver cómo se curvaba atraído por el peine? ¿Qué pasaría si se hiciera algo así en el espacio?

A la NASA le encanta hacer este tipo de experimentos educativos en la Estación Espacial Internacional y no han dudado en ponerse manos a la obra con este experimento. Para ello han cogido agujas de tejer de diferentes materiales y tras frotarlas con un papel han dejado flotar a su lado pequeñas gotas de agua lanzándolas con una jeringuilla. ¿Os imagináis el resultado?

Sorprendente, ¿verdad? Las gotas de agua se comportan como si fueran satélites orbitando un planeta, dando vueltas alrededor de la aguja. Obviamente esto no tiene nada que ver con la gravedad ya que la interacción gravitatoria es tan débil que solo se nota cuando están involucradas grandes masas, sino que las causantes son las cargas eléctricas y la fuerza electrostática.

Por defecto todos los objetos y materiales en la naturaleza tienen carga eléctrica neta nula, es decir son neutros: tienen el mismo número de electrones que de protones. Sin embargo, cuando el astronauta Don Pettit frota la aguja se transfieren unos pocos electrones desde el papel, de modo que la aguja queda con una carga eléctrica neta negativa. Que se transfieran más o menos electrones depende de la afinidad electrónica de los materiales involucrados. En este caso el papel tiene mayor facilidad para perder los electrones que la aguja.

Las gotas de agua tienen carga eléctrica neutra, pero la molécula de H2O tiene una propiedad especial: es una molécula polar. Esto quiere decir que al aplicar un campo eléctrico sus hidrógenos (carga positiva) y su oxígeno (carga negativa) se separan siguiendo la orientación del campo. Este fenómeno se conoce como polarización.

En nuestro caso, la aguja actúa como fuente de campo eléctrico causado por el extra de cargas negativas, y hace que el agua se polarice. Es decir, sus átomos de hidrógeno comienzan a sentir la fuerte atracción electrostática de la aguja y se acercan a la misma, mientras que sus átomos de oxígeno se tratan de alejar. Podría parecer que debido a esta lucha de cargas las gotas de agua no deberían moverse, pero la atracción electrostática es lo suficientemente fuerte como para hacer que la fuerza neta sea atractiva y podamos ver sus efectos.

Esquema básicodel movimiento de cargas en el experimento hecho en la Tierra.

Si a esto le añadimos la simetría cilíndrica del peine el resultado final es ese movimiento orbital en espiral tan llamativo. Si os fijáis, la velocidad de las gotas es mayor si están cerca de la aguja y disminuye a medida que se alejan. La analogía con la gravitación es clarísima, pues ambas interacciones dependen del inverso de la distancia al cuadrado.

Como comentario final, me gustaría resaltar una de las cosas que dice Don Pettit y que hace que la física sea un poco más bonita, si cabe. Se trata de la analogía de lo que vemos en el vídeo con con el movimiento de cargas en nuestro campo magnético terrestre. Por sorprendente que pueda parecer que un experimento electrostático así de sencillo pueda parecerse a algo tan llamativo como una aurora, lo cierto es que es verdad. En ese caso el magnetismo es el causantedel movimiento, pero las cargas eléctricas que nos llegan desde el Sol realizan un baile similar siguiendo las líneas de campo magnético terrestre hasta alcanzar los polos. Allí al chocar con las moléculas de oxígeno y nitrógeno de la atmósfera dan lugar a esos preciosos colores que vemos en las auroras.

Un punto más para la magia de la física.

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Más información:
Physics Central – Science off theSphere
Physics Central – Physics in theSink: DancingWater

Físico de materiales, nacido en El Bierzo y adoptado en tierras asturianas y vascas durante su paso por la Universidad de Oviedo y la Universidad del País Vasco. Se dedica a la simulación de materiales, pero no deja de lado la divulgación científica con proyectos como DocuCiencia, Wis Physics, o Pozo Cuántico. Aparte de su interés por la ciencia es un luchador activo contra toda clase de pseudociencias y un apasionado de la tecnología y la programación.



Por Wis_Alien
Publicado el ⌚ 12 febrero, 2012
Categoría(s): ✓ Curiosidades • Física