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Las gotas que dieron forma a las balas

La formación de gotas a partir de un hilo de agua es muy rica en física y verdaderamente hermosa. Fotografía: Almudena M. Castro.

A menudo, nuestros dibujos no se parecen demasiado a la realidad. Muchos de los iconos, ideogramas y memes gráficos varios que utilizamos en nuestro día a día se han ido alejando de su referente, hasta que resulta difícil identificarlos. Entre ellos, uno de los más típicos es el de las gotas de agua.

A pesar de la creencia común, las gotas no tienen esa forma icónica, puntiaguda hacia arriba, con la que habitualmente se las representa. Más bien al contrario, suelen ser aproximadamente esféricas. Esto se debe a la tensión superficial del agua, que tiende a minimizar la superficie del líquido en contacto con el aire. Actúa, por tanto, como si fuese una malla elástica, que aprieta su contenido en todas las direcciones por igual. La esfera es la figura que presenta una superficie mínima para un volumen dado y, por ese motivo, es la forma que adoptan las gotas en ausencia de otras fuerzas, como sucede en la Estación Espacial Internacional.

Desde el siglo XVIII, los fabricantes de balas y perdigones de plomo aprovecharon este fenómeno1 para elaborar sus proyectiles. En 1782, el británico William Watts patentó un ingenioso sistema basado en lo que hoy conocemos como “torres de perdigones” (o shot towers, en inglés). La idea consistía en dejar caer plomo fundido desde lo alto de estas edificaciones. El fluido ardiente atravesaba un tamiz que lo fragmentaba en pequeñas porciones. Al descender, las gotas de plomo se van enfriando y adoptan su forma esférica, gracias a la tensión superficial del fluido. Solo era necesario “capturar” esta figura. Para ello, se colocaban cubos de agua fría en la base de la torre, que enfriaban y consolidaban la nuevas balas y perdigones, perfectamente simétricos.

La idea era muy sencilla pero funcionaba a la perfección y, aunque probablemente William Watts no podría haber ni imaginado que existía un fenómeno llamado “tensión superficial”, su sistema abarató enormemente los costes de fabricación de este tipo de proyectiles, que hasta entonces se habían elaborado con ayuda de moldes.

Sin embargo, cuando caen con la lluvia, las gotas no son tan esféricas como cabría esperar (ni mucho menos, tan grandes como en la Estación Espacial Internacional). A medida que las primeras mini gotas se condensan en las nubes y empiezan a caer, van chocando con otras gotas y aumentan de tamaño. Sin embargo, debido a la resistencia del aire, las más grandes empiezan a deformarse. Poco a poco se achatan por debajo y adoptan una forma parecida a la de una hamburguesa. Llegado cierto punto crítico, la tensión superficial no es capaz de soportar la fuerza del aire. La malla elástica se rompe y la gota se descompone en otras más pequeñas y mucho más esféricas. Estas, a su vez pueden crecer, deformarse, romperse, etcétera, etcétera.

De esta manera, la física de fluidos determina, no sólo la forma, sino también el volumen posible de las gotas de lluvia2, que rara vez supera los 4 mm de diámetro3. Las más pequeñas, a partir de 0,5 mm de diámetro, son siempre más simétricas y estables que las más grandes, porque su “malla” resiste mejor la caída.

¿Por qué pintamos las gotas con sombrero entonces? Es difícil saberlo con certeza. Pero esta forma alargada se parece a la de una gota arrastrándose por una superficie. Como la de una lágrima que recorre una cara. O quizás, la de una gota a punto de desprenderse de un grifo.

Notas:


1Marcus du Sautoy lo cuenta en su libro “Symmetry”.

2Villermaux, E., Bossa, B. Single-drop fragmentation determines size distribution of raindrops. Nature Phys 5, 697–702 (2009). https://doi.org/10.1038/nphys1340

3No obstante, se han registrado hotas de hasta 8,8 mm de diámetro. Esta super gota, en concreto, se encontraba en la base de una nube cúmulo congestus en las cercanías del atolón de Kwajalein en julio de 1999. Ver Hobbs, Peter V.; Rangno, Arthur L. (July 2004). «Super-large raindrops». Geophysical Research Letters. 31 (13): L13102. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2004GL020167

Sobre la autora: Almudena M. Castro es pianista, licenciada en bellas artes, graduada en física y divulgadora científica

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