¡Vivimos en el fondo de un océano de aire! Un experimento con una botella de plástico revela qué es realmente la presión atmosférica (Repaso de física de bachillerato para adultos)
Soy Ken Kuwako, entrenador de ciencia. Para mí, cada día es un experimento.
Vamos a empezar con una pregunta: ¿tienes un lápiz a mano? Si es así, hagamos un pequeño experimento. Coloca el lápiz entre tus dos dedos índices, uno en cada extremo, y empuja con ambos. ¿Qué dedo te duele más, el derecho o el izquierdo?
Si pensamos en el «equilibrio de fuerzas» y en la «ley de acción y reacción», los dos dedos reciben exactamente la misma fuerza. Y sin embargo, el dedo que sostiene la punta afilada duele muchísimo más. ¿Por qué, si la fuerza es la misma, la sensación es tan distinta? La respuesta está en una idea casi mágica, que gobierna desde nuestra vida cotidiana hasta el funcionamiento del universo: la presión.
La fórmula de la presión: cómo se relacionan la fuerza y el área
La respuesta es sencilla: la fuerza se «concentra en una superficie diminuta». Para comparar bien el efecto de una fuerza, hay que fijar la misma superficie en todos los casos. De ahí nació el concepto de presión, que es la fuerza que actúa sobre cada 1 m^2.
P = F/S
(presión = fuerza ÷ área sobre la que actúa la fuerza)
La unidad de presión es el Pa (pascal). Hagamos las cuentas con el ejemplo del lápiz. Supongamos que empujamos con una fuerza de 0,1 N (el peso de unos 10 g) y comparemos las áreas.
Dedo izquierdo (superficie plana: 0,5 cm^2):
P_izq = 20 000 Pa
Dedo derecho (punta afilada: 0,01 cm2):
P_der = 100 000 Pa
¡El dedo derecho soporta 50 veces más presión que el izquierdo! Con razón duele tanto.
¡Vivimos en el fondo de un océano de aire, como peces abisales!
Ahora hablemos de una presión a mucha mayor escala. Vivimos hundidos en el fondo de una capa de atmósfera que rodea la Tierra y que tiene más de 150 km de espesor. Igual que los peces abisales viven en el fondo del mar, nosotros somos, por así decirlo, criaturas abisales del aire. Sobre nuestras cabezas se apilan 150 km de partículas de nitrógeno, oxígeno y otros gases. Cada una pesa muy poco, pero juntas suman un peso descomunal. La presión que genera ese peso es la presión atmosférica. En la superficie terrestre, su valor medio es de unos 1000 hPa (hectopascales).
«Hecto» significa «cien veces», así que esto equivale a 100 000 Pa. Es decir, sobre cada 1 m^2 caen 100 000 N (¡alrededor de 10 toneladas!). Claro, 100 000 N no dice mucho a primera vista.
Pongamos un ejemplo con cartones de leche (1 kg equivale a unos 10 N): es como si tuvieras 10 000 cartones de leche encima de tu cuerpo mientras estás tumbado. Solo de imaginarlo da la sensación de que te aplastarían, pero nosotros empujamos hacia afuera desde el interior del cuerpo y así equilibramos esa presión gigantesca.
La fuerza de la presión atmosférica es mayor de lo que parece: ¡incluso se puede levantar una mesa con una simple lámina de plástico!
Un experimento para ver con tus propios ojos la fuerza invisible del aire
Si piensas «¡no me creo que algo nos empuje con tanta fuerza!», prueba este experimento. Echa un poco de agua hirviendo en una botella de plástico vacía, agítala y deja que se llene de vapor. Tira el agua, cierra la tapa bien fuerte enseguida y espera. Al cabo de un minuto, más o menos… ¡la botella empieza a crujir y se arruga de forma impresionante!
Lo que ocurre es que el vapor de agua del interior se enfría y vuelve a ser agua, y dentro de la botella queda un vacío casi total. Entonces la botella no puede resistir la presión de afuera (100 000 Pa) y se aplasta. La presión atmosférica es como un monstruo invisible de fuerza descomunal.
Por qué la bolsa de patatas fritas se hincha en la cima de la montaña
La presión no solo nos empuja desde arriba, sino desde todas las direcciones. Los «fluidos», como el aire o el agua, se cuelan por cualquier rendija e intentan empujar las paredes hacia afuera. ¿Has visto alguna vez, durante una excursión, que la bolsa de snacks que llevabas se ha puesto a punto de reventar?
Eso sucede porque el aire de una bolsa sellada a nivel del suelo (1000 hPa) se encuentra de pronto en una cima donde la presión es menor (por ejemplo, 970 hPa), y entonces la fuerza con la que empuja desde dentro supera a la que empuja desde fuera.
Cuando visité el Observatorio Astronómico Nacional de Japón en Nobeyama, me llevé unas patatas fritas. Comparé la bolsa en Tokio y en Nobeyama…
Como puedes ver, la bolsa estaba claramente más hinchada en Nobeyama.
Esta es la bolsa que llevé a Tsuboniwa, en los montes Kita-Yatsugatake, a 2237 m de altitud.
Y ahora, al contrario: veamos qué pasa cuando la presión aumenta. Una exposición del Museo de Historia Natural de Ibaraki me pareció tan divertida que quiero compartirla. En ella, un vaso de fideos instantáneos se va encogiendo.
A 200 m de profundidad ya se ha encogido.
El secreto de la flotabilidad: el trabajo en equipo de la presión del agua
Para terminar, vamos a desvelar el misterio de la flotabilidad (o empuje) que sentimos en la bañera o en la piscina. Mucha gente piensa que es una «fuerza misteriosa que nos hace más ligeros al entrar en el agua», pero en realidad también nace de una diferencia de presiones. Cuanto más profundo estás, más agua tienes encima, y por eso aumenta la presión del agua. De hecho, bastan 10 m de profundidad para que se sume una presión de 1000 hPa, igual que la que genera una columna de aire de 150 km. Esto nos da una idea de lo densa que es el agua.
Imaginemos ahora un objeto sumergido. La presión del agua que empuja su «cara superior» es menor que la que empuja su «cara inferior», que está más profunda. Las fuerzas laterales se anulan entre sí, pero la diferencia entre arriba y abajo queda como una fuerza hacia arriba. Eso es la flotabilidad. No es ninguna fuerza mágica: es la «resultante de la presión del agua», producida por el agua que rodea al objeto y que lo empuja hacia arriba entre todos.
El aire y el agua están ahí, como si nada. Pero dentro de ellos se esconde un mundo de física asombrosamente dinámico, tejido por la «superficie» y la «fuerza». La próxima vez que agarres un lápiz o abras una bolsa de patatas fritas, acuérdate de esta «presión» invisible.
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