Buzo cartesiano - Cartesian diver

Demostración de flotación y hundimiento (buceador cartesiano). El tubo está lleno de agua y aire. Al presionar la botella, el agua adicional ingresa al tubo de ensayo, aumentando así la densidad media del sistema tubo-agua-aire, lo que da como resultado una flotabilidad negativa y el tubo se hunde.
Diablo cartesiano bailando
Juguete de vidrio soplado a mano de Lauscha , Bosque de Turingia
En la botella

Un buzo cartesiano o diablo cartesiano es un experimento científico clásico que demuestra el principio de flotabilidad ( principio de Arquímedes ) y la ley de los gases ideales . La primera descripción escrita de este dispositivo la proporciona Raffaello Magiotti , en su libro Renitenza certissima dell'acqua alla compresse (Resistencia muy firme del agua a la compresión) publicado en 1648. Lleva el nombre de René Descartes, ya que se dice que el juguete que tiene. sido inventado por él.

El principio se utiliza para hacer juguetes pequeños a menudo llamados "bailarines de agua" o "diablos de agua". El principio es el mismo, pero el cuentagotas se reemplaza por un objeto decorativo con las mismas propiedades que es un tubo de flotabilidad casi neutra, por ejemplo, una burbuja de vidrio soplado . Si se gira la cola de la burbuja de vidrio, el flujo de agua que entra y sale de la burbuja de vidrio crea un giro. Esto hace que el juguete gire a medida que se hunde y se eleva. Un ejemplo de tal juguete es el "diablo" rojo que se muestra aquí. El dispositivo también tiene un uso práctico para medir la presión de un líquido .

Los buzos de plástico se regalaron en cajas de cereales estadounidenses como obsequio pagado en la década de 1950, y "Diving Tony", una versión del juguete inspirada en la mascota de Kellogg's Frosted Flakes, Tony the Tiger , estuvo disponible en la década de 1980.

Descripción del experimento

El experimento requiere una botella grande llena de agua, dentro de la cual hay un "buzo": un tubo pequeño y rígido, abierto en un extremo, muy similar a un cuentagotas con suficiente aire para que tenga una flotabilidad casi neutra , pero aún lo suficientemente flotante. que flota en la parte superior mientras está casi completamente sumergido. Se pueden construir dos "buceadores" alternativos. Uno sellado pero una bombilla flexible, y el otro una bombilla de vidrio sellada (linterna sin base de metal) con hilos de lana colgando debajo. El flexible comprimirá reduciendo el volumen, y el de vidrio sólido no cambiará, pero las burbujas de aire quedarán atrapadas en las fibras y quedarán expuestas a la presión, por lo que cambiará de volumen.

El "buceo" ocurre cuando la parte flexible del contenedor más grande se presiona hacia adentro, aumentando la presión dentro del contenedor más grande, haciendo que el "buceador" se hunda hasta el fondo hasta que se libere la presión, cuando vuelve a subir a la superficie. Si el recipiente es rígido, como con una botella de vidrio, el corcho que sella la botella se presionaría hacia adentro o se sacaría hacia afuera.

Dentro de una botella ovalada
Un buceador inverso
Un buceador de doble acción

Hay suficiente aire en el buceador para que tenga una flotabilidad positiva . Por lo tanto, el buceador flota en la superficie del agua. Como resultado de la ley de Pascal , apretar el recipiente hermético aumenta la presión del aire, parte de la cual se ejerce presión contra el agua que constituye una "pared" del recipiente hermético. Esta agua, a su vez, ejerce una presión adicional sobre la burbuja de aire dentro del buceador; Debido a que el aire dentro del buceador es compresible pero el agua es un fluido incompresible, el volumen del aire disminuye pero el volumen del agua no se expande, de modo que la presión externa al buceador a ) fuerza el agua que ya está en el buzo más hacia adentro y b ) impulsa el agua desde el exterior del buceador hacia el buceador. Una vez que la burbuja de aire se vuelve más pequeña y entra más agua al buceador, el buzo desplaza un peso de agua que es menor que su propio peso, por lo que se vuelve flotante negativamente y se hunde de acuerdo con el principio de Arquímedes . Cuando se libera la presión sobre el recipiente, el aire se expande nuevamente, aumentando el peso del agua desplazada y el buceador vuelve a flotar positivamente y flota.

Se podría pensar que si el peso del agua desplazada coincidiera exactamente con el peso del buceador, no se elevaría ni se hundiría, sino que flotaría en el medio del recipiente; sin embargo, esto no ocurre en la práctica. Suponiendo que tal estado existiera en algún momento, cualquier desviación del buzo de su profundidad actual, por pequeña que sea, alterará la presión ejercida sobre la burbuja en el buzo debido al cambio en el peso del agua sobre ella en el recipiente. . Es un equilibrio inestable . Si el buceador se eleva, incluso en la cantidad más minúscula, la presión sobre la burbuja disminuirá, se expandirá, desplazará más agua y el buceador tendrá una flotabilidad más positiva, aumentando aún más rápidamente. Por el contrario, si el buceador cae en la menor cantidad, la presión aumentará, la burbuja se contraerá, entrará más agua, el buceador se volverá menos flotante y la velocidad de la caída se acelerará a medida que la presión del agua aumente aún más. Este refuerzo positivo amplificará cualquier desviación del equilibrio, incluso la debida a fluctuaciones térmicas aleatorias en el sistema. Existe una gama de presiones aplicadas constantes que permitirán al buceador flotar en la superficie o hundirse hasta el fondo, pero que flote dentro del cuerpo del líquido durante un período prolongado requeriría una manipulación continua de la presión aplicada.

Los buzos dentro de una botella de plástico ovalada adquieren nuevas propiedades interesantes. De hecho, una botella ovalada puede aumentar de volumen cuando se comprime, y si esto sucede, el buceador ahogado puede ascender.

Notas

enlaces externos