El peso del aire II (la masa y la densidad también)

Darla me dejó esta consulta en la entrada del peso del aire:

Buenas tardes! Interesantes explicaciones de cómo enseñas a tu hijo! Si pudieras contestarme a la siguiente pregunta te lo agradecería: ¿Por qué el aire pesa? y conclusiones de que el aire pese. Gracias. Atentamente. Darla.

Gracias Darla (Hola Darla!!) por pasarte por aquí. Podemos extender tu pregunta así: ¿por qué pesa el aire? ¿por qué pesan las cosas? ¿que es el peso?

El peso

El aire pesa porque tiene masa. Cualquier cantidad de algo tiene masa. Y la masa es atraída por la Tierra, según la gravitación de Newton. Esa fuerza de atracción es lo que llamamos peso. Nuestras básculas de baño miden el peso con un pequeño muelle calibrado que se contrae proporcionalmente a esa fuerza. En situaciones normales, en reposo, el peso es:

Peso = Masa x Gravedad

La gravedad en la superficie del planeta Tierra es 9,8 m/s2 y este número que es siempre el mismo y depende de la masa de nuestro planeta. Así nuestro peso en la bascula es el resultado de

Peso = Masa x 9,8 m/s2

En situaciones normales, comprando fruta por ejemplo, la gravedad de la tierra es siempre 9,8 m/s2. Por motivos prácticos en la frutería no hacen la multiplicación porque siempre sería la misma, para cada pesada. Así que se la saltan y nos dicen el peso de las naranjas en kg (me salto la explicación de las unidades de masa y peso para no complicar la respuesta. Solo comentar que no coinciden pero por los motivos prácticos y cotidianos ya comentados, son utilizados los kg para las dos)

¿Entonces porque no hablamos de peso en lugar de masa? Te lo explico con un sencillo experimento, Darla.

Coge la báscula de baño y ves al ascensor más cercano. Entra en él y súbete a la báscula. Mira tu peso. Sin dejar de mirar el indicador sube unos pisos. En el momento de iniciar el ascensor su movimiento, la balanza indicará una breve subida de peso (vigila de que no te vea nadie o te tomarán por loca tus vecinos).



No es que hayas engordado de repente (y adelgazado a continuación). Lo que mide la balanza es la fuerza de gravedad sobre nuestro cuerpo. Al iniciar un movimiento, el ascensor pasa de una velocidad cero (está quieto) a otra (1 m/s) en un segundo. Esto es aceleración (1 m/s2) y es como la que ejerce el planeta sobre todo cuerpo en forma de gravedad. Las dos aceleraciones (gravedad y ascensor) se suman porque tienen la misma dirección y sentido, y tiene como consecuencia un aumento de peso. Pero ojo, no hay aumento de masa.

Igualmente, si pudieras viajar a otro planeta con tu bascula y te pesaras en su superficie, la báscula indicará el peso en relación con su gravedad (en la luna una sexta parte, si no recuerdo mal). Pero en realidad tu masa tampoco ha variado.

Por eso los físicos prefieren hablar de masa en lugar de peso. La masa es independiente de la gravedad o de las aceleraciones y eso es muy útil cuando estudias cosas del espacio exterior.

Resolviendo tu pregunta, el aire pesa porque es una cantidad de algo. Cualquier cantidad de algo tiene masa. Toda masa es atraída por la gravedad de la Tierra con una fuerza que llamamos peso.

Pero en realidad esta contestación no aclara nada porque tu pregunta se puede cambiar por esta otra: ¿Por que tiene masa el aire? ¿porque tienen masa las cosas? ¿que es la masa?

La masa

Ya sabemos que si algo lo podemos pesar es que tiene masa. Dicho de otra forma poco ortodoxa, la masa es cualquier cantidad de algo que podamos pesar. 1 kg de naranjas, un globo lleno de aire, un armario ropero, un coleóptero ... Hasta estamos de acuerdo que 1 átomo de hidrógeno es una cantidad. Y 1 electrón es una cantidad porque se pueden pesar (no con balanzas de baño, claro). La masa es una propiedad intrínseca de la materia.

En realidad, la masa es la medida de inercia de un cuerpo. Es la resistencia a iniciar movimientos o a detenerlos. Parece raro pero intenta mover un coche de juguete de 100 gramos y luego prueba con un coche de 1000 kg. Con el coche de juguete no tenemos problema en moverlo, porque su masa es pequeña. El coche grande tiene 10.000 veces más masa por lo que nos costará 10.000 veces más moverlo. Pero tranquila Darla, en nuestra vida normal de no-astronauta o no-pilotodeformulauno nos basta con que la masa es la cantidad de materia de un cuerpo y que podemos medir con una báscula de baño.

Y que el aire pese (tenga masa) tiene unas consecuencias. Algunas las conoces ya, como la presión del aire o la oscilación del nivel del mar. Otras igual no. Para hablarte de ello te presentaré a otro concepto físico. Con Ustedes, señoras y señores, la Densidad!!


La Densidad

¿Cual es la diferencia entre un kilo de paja y un kilo de plomo? Su volumen. Un kilo de plomo ocupa como una cajetilla de tabaco. Un kilo de paja como una bolsa de basura grande. Pesan lo mismo pero ocupan volúmenes muy diferentes. Si dividimos el peso por el volumen tenemos la densidad.

La densidad del agua pura es de 1 kg/l. Eso significa que un kilo de agua ocupa un litro. Si pudiéramos meter 2 litros de agua en una botella de un litro (apretando "magicamente" los átomos unos contra otros) entonces tendríamos un a botella de agua de densidad 2 kg/l.

Con el aire pasa lo mismo. En una cantidad determinada (1 litro) hay una cantidad determinada de aire (1,14 miligramos). El aire tiene densidad, 0,00149 kg/l (a nivel del mar y 20 ºC. La densidad del aire que nos rodea varía con la altura, con la temperatura y la humedad.



Los aviones vuelan porque sus alas generan una fuerza que contrarresta a la gravedad. Esa fuerza se llama sustentación y para un avión en concreto depende de la densidad del aire y de la velocidad del avión. Cuanto más denso sea el aire menos velocidad necesita el avión para compensar su peso.

Gráfico de la variación de la presión del aire con la altura

Un avión puede volar a 900 km/h pero despega con una velocidad de 250 km/h. La densidad del aire varía con la altura, y cuando el avión alcanza su altura de vuelo, pongamos 10.000 metros, la densidad del aire es sólo de 0,0003 kg/m3 (puedes calcular la densidad del aire que ahora te rodea en esta página ). Para mantener la sustentación que contrarresta su peso ha de aumentar su velocidad.

La sustentación es generada por la forma del ala y el aire en movimiento

Es decir, los aviones pueden volar debido a la densidad del aire y en último término, por su peso (masa).

Hace dos domingos tuve la ocasión de ver otro efecto del peso del aire: ocho caballos intentaban separar, sin conseguirlo, dos semiesferas unidas solamente por el efecto del la presión atmosférica (el peso del aire). Se trataba de la representación de la clásica experiencia de los hemisferios de Magdeburgo que hizo Otto von Guericke en Ratisbona en 1654.



Von Guericke inventó una maquina neumática de vacío con la que experimentó los efectos de la (ausencia de) presión atmosférica. Vio, por ejemplo, que si hacia el vacío en un recipiente, el peso (la presión) del aire impedía poder abrirlo (igual sucede con los botes de mermelada o de lentejas de la cocina cuando queremos abrirlos por primera vez).

Construyó dos semiesferas, los hemisferios, donde hizo el vacío en su interior y colocó tirando de cada uno de las hemiesferas a 4 caballos para separarlas sin conseguirlo. La presión exterior del aire sobre las hemiesferas las mantenía unidas. Esta demostración a lo "cazadores de mitos" la hizo delante del Emperador y la corte. La misma experiencia que vi en el Parc de la Ciutadella en el marco del Año de la Ciencia de Barcelona.

Arriba, los 8 caballos luchando contra el peso del aire.
Abajo detalle de los hemisferios, de los actores
y de la máquina de vacío.

Otra experiencia diaria de peso del aire es el sonido. El sonido se propaga como ondas por el aire en forma de microvariaciones de la presión (es equivalente a decir microvariaciones de densidad) del propio aire. También fue Von Guericke quien se dio cuenta que el sonido no se propaga sin aire.

Ondas de sonido

Hay muchas consecuencias más del peso del aire pero dejaré que las encuentres tu misma. Disfruta. Disfrutad.


SALUT DARLA!