¿Por qué el agua solo puede proyectarse hacia arriba ~ 34 pies como máximo?

La mayoría de las personas han respondido a esta pregunta de por qué el agua no puede ser empujada por encima de ~ 34 pies. Debido a que la diferencia de presión máxima entre dos lados de la columna de agua no puede ser mayor de 1 atm a menos que se incremente artificialmente. Pero como alguien en las respuestas preguntó, ¿cómo crecen las plantas como las secoyas hasta 100 metros (328 pies)? Este es un orden de magnitud mayor que el límite establecido. Las posibles respuestas podrían ser:

• Hay válvulas y un esófago (pipa de comida) como el xilema (tejido que transporta líquidos). Aprendimos en el décimo estándar sobre el movimiento peristáltico del esófago. Ya sabes cómo vomitamos. Así. Pero el problema aquí es que los árboles no muestran una escala de movimiento tan grande en una escala de tiempo muy pequeña. El único movimiento es la expansión y contracción de las células individuales debido a la ósmosis que, como máximo, es de hasta decenas de micrómetros. Y NO, la osmosis tampoco es la respuesta porque es demasiado lenta. Estos árboles pueden transpirar hasta 200 litros de agua en una hora.
• Algunos podrían especular que la acción capilar es la razón. Si hacemos algunos cálculos aproximados, obtenemos que el radio del tubo será

[matemática] T = superficie \ hspace {1mm} tensión (agua) = 72 \ veces 10 ^ {- 3} Pa.s \\ \ tag * {} [/ math]

[matemáticas] \ rho = densidad \ hspace {1mm} de \ hspace {1mm} agua = 10 ^ {3} \ frac {Kg} {m ^ 3} \\ \ tag * {} [/ math]

[matemáticas] g = aceleración \ hspace {1mm} debido \ hspace {1mm} a \ hspace {1mm} gravedad = 10 \ frac {m} {s ^ 2} \\ \ tag * {} [/ math]

[matemáticas] h, R = altura \ hspace {1mm} y \ hspace {1mm} radio \ hspace {1mm} de \ hspace {1mm} el \ hspace {1mm} capilar \\ \ tag * {} [/ math]

[matemáticas] T \ veces 2 \ pi R = \ pi R ^ 2 h \ rho g \\ \ tag * {} [/ matemáticas]

[matemática] R = \ dfrac {2 T} {g \ rho h} = 1.45 \ mu m \ tag * {} [/ matemática]

que es mucho menor que el diámetro típico de un tubo de xilema (alrededor de 100 micrómetros).

La razón real de esto es que el xilema no contiene aire desde el momento de la concepción del árbol. No hay aire en el xilema de la planta . Entonces, con un líquido como el agua, crea una succión, una presión negativa de aproximadamente -15 atm [1]. La noción de presión negativa no es intuitiva ni tiene sentido para el aire, pero para los líquidos se puede comparar con el estiramiento de un resorte / banda de goma. La distancia intermolecular aumenta, pero como no hay aire y el agua es bastante incompresible, el incremento de volumen es muy bajo. Una pequeña cantidad de aire comprometerá todo el sistema circulatorio del árbol [2] (Esto no es completamente cierto. Verifique la edición). Puede ser por eso que el xilema sigue reemplazando (recuerde los anillos de los árboles). El interior es el funcional.

Algunos podrían decir que si la presión es negativa dentro de la planta, ¿por qué no extrae aire de la atmósfera? Esto se debe a que los estomas de tamaño nanométrico (2-5 nm) [1] lo sostienen al aprovechar la tensión superficial del agua (cuanto más pequeño es el diámetro capilar, mayor es la resistencia a la presión)

Si desea apreciar más este fenómeno, le recomiendo este video de Derek de Veritasium.
[1]: Veritasium (Youtube)
[2]: Mecánica de fluidos, Kundu y Cohen (5ª edición)

Editar: Andrew K. Fletcher me dijo que la cavitación en realidad ocurre dentro del xilema. Pero la estructura perforada y columnar del xilema detiene la expansión de la burbuja para evitar una embolia completa. (Verifique esto)

El agua se puede proyectar aproximadamente tan alto como tenga el poder de bombearla.

Una de las ecuaciones más engañosamente simples en ingeniería es P = pgh (perdón por mi falta de caracteres griegos adecuados): la presión es igual a la densidad por la gravedad por la altura. No importa si su contenedor es cuadrado o redondo o si necesita seguir un patrón en zigzag a través de una pajita loca, lo único que importa es la presión, la gravedad y la altura.

Por supuesto, aquí en la Tierra, la gravedad es siempre la misma (9.8 m / s2), y la densidad del agua también es siempre la misma. Entonces, todo lo que importa es la altura. Cuando compra una bomba de agua, indicarán su capacidad de presión en la cabeza, lo que significa qué tan alto puede bombear agua. La altura a la que puede proyectar el agua es esencialmente igual a la altura de la bomba.

Bueno, esto está en el aire, no en el vacío, en el espacio o en la luna.

Bueno, uno difícil, mucha física, un experto en dinámica de fluidos computacional debería ser el que pregunte, pero mi intuición es que tiene que ver con que el agua sea líquida (con baja cohesión) y la interacción con el arrastre de aire aumenta proporcionalmente a v ^ 2, por lo tanto, el agua alcanza la velocidad terminal y también se desintegra en gotas más pequeñas que tienden a verse más afectadas por la fuerza de arrastre (ya que su sección transversal del área disminuye como el cuadrado del radio pero su peso como el cubo del radio), por lo tanto disminuyó la velocidad más.

Pero estoy seguro de que podemos romper el récord de 34 pies por medios extremos, como colocar un IED (un dispositivo explosivo) detrás de una bolsa de plástico con agua. Aunque el agua no llegará lejos “en una sola pieza”, sino que se pulverizará pero se empujará muy lejos en forma de gotas pequeñas.

Como se señaló, el agua se puede proyectar mucho más alto, cuando se presuriza. Pero cuando chupas una pajita, estás creando un vacío parcial, en relación con los 14,6 psig que la atmósfera está ejerciendo en la superficie. (Y sobre usted, y todo lo demás). Esa diferencia de presión hace que el líquido dentro de la columna se eleve, hasta que la presión en la parte inferior de la columna se restablezca a 14.6 psig.

Si pudiera crear presión cero en la parte superior de la columna, requeriría una elevación de agua de 34 pies para producir 14.6 psig en la parte inferior. Eso es. No puedes chupar más fuerte que eso. Si la presión atmosférica fuera mayor a 14.6 psig, podría construir una columna más alta. Por el contrario, si no tuviera presión atmosférica, como en la luna, su popote no funcionaría en absoluto.

Los fluidos más densos que el agua producen menos elevación, porque la presión en el fondo es proporcional tanto a la altura como a la densidad. Por lo tanto, una columna de mercurio, 13.6 veces más densa que el agua, puede elevarse solo 30 pulgadas en el vacío. Así es como se mide la presión atmosférica, por cierto, midiendo la altura de una columna de mercurio que se ha evacuado en la parte superior.

El agua se puede empujar mucho, mucho más de 34 pies (en realidad, 33,9 pies como máximo al nivel del mar). Esto es lo que hacen las bombas. Pones una bomba en la parte inferior y empujas el agua tan alto como quieras y la bomba está diseñada para hacerlo. Hay pozos de agua de muchos cientos o incluso miles de pies de profundidad. Pusieron una serie de impulsores de bomba en el pozo y una tubería desde el último impulsor a la superficie y el agua se bombea desde el fondo del pozo.

Este es un tipo de bomba que puede usarse

Puede ver que esta bomba tiene el motor en la parte inferior, pero hay tipos en los que el motor está por encima del suelo y acciona los impulsores a través de un cable largo. La bomba gira todos los impulsores. El agua ingresa al primer impulsor, lo conduce al siguiente impulsor, lo que multiplica las capacidades de elevación y así sucesivamente hasta el último impulsor que empuja el agua hacia una tubería hacia la superficie. Mientras más impulsores y más potente sea el motor de la bomba, más distancia se puede empujar el agua hacia arriba.

Aquí hay dos motores de montaje en superficie masivos en una gran estación de bombeo municipal que conducen los impulsores de la bomba lejos bajo tierra en la capa freática:

Lo que está preguntando es qué tan alto puede subir el agua cuando se aplica un vacío al tubo o tubería, como cuando succiona una pajita para extraer agua de un vaso en su boca.

No estás chupando líquido en tu boca. Eso es imposible. Lo que está haciendo es aplicar una aspiradora en la pajita en la que la atmósfera empuja el líquido hacia arriba a través de la pajita hacia su boca. La atmósfera, todo el aire sobre ti, tiene peso. Empuja hacia abajo sobre todo en la tierra, incluido el líquido en su taza. Cuando pones una pajita en la taza, el líquido empuja hasta el mismo nivel que el líquido en la taza: el agua busca su propio nivel. Cuando chupas la pajita, estás eliminando el aire de la pajita y creando un vacío en la pajita. La atmósfera ya no empuja hacia abajo el aire en la pajita: ha eliminado parte del aire en la pajita, ha creado un vacío, y el líquido en la copa ahora es empujado por el peso de la atmósfera hacia su boca. Intente usar una pajita demasiado larga y no obtendrá ningún líquido en la boca.

Al nivel del mar en la tierra, si pudieras lograr un vacío perfecto, serías capaz de elevar el agua a una altura de 33.9 pies. En elevaciones más altas, dado que hay menos aire sobre usted y menos peso en la superficie del líquido, solo puede elevar el agua a una altura total menor con la misma cantidad de vacío que al nivel del mar.

Es por eso que solo puede levantar agua a 33.9 pies (al nivel del mar y solo con una aspiradora perfecta). Puede empujar el agua mucho más lejos, pero solo si los impulsores de la bomba están en la parte inferior, donde está el agua: el motor de la bomba puede estar en la parte inferior o en la parte superior, pero los impulsores tienen que empujar el agua hacia arriba.

Me gusta esto:

Puede tener una bomba por encima del nivel superior del agua, por ejemplo 5 pies, por lo que no tiene que usar un motor a prueba de agua y usar la aspiradora de la bomba para obtener agua de un cuerpo de agua como un lago y luego proyectarla a través de la bomba y empuje el agua hacia un tanque de agua o suba una gran colina. Me gusta esto:

Esto es incorrecto. Con una presión lo suficientemente alta, el agua está limitada por la resistencia del aire. La fuente Belligiao en Las Vegas proyecta más de 400 pies.

Si está preguntando acerca del levantamiento de agua por succión, la baja presión hará que el agua hierva y ya no se pueda levantar.

Agua

Puede ser “proyectado” mucho más alto que 34 pies!

Jet d’Eau Lago Ginebra

Creo que has expresado mal tu pregunta.

Creo que querías preguntar por qué el agua solo puede ser “aspirada” hacia arriba 34 pies en el lado de entrada de una bomba. La limitación es el vacío que se puede extraer.

Las bombas de succión solo pueden proporcionar un vacío y solo pueden elevar el agua 33.9 pies porque este es el vacío máximo que se puede extraer.

Busque bombas de vacío de agua en google.

Widdison lo resumió completamente, no hay mucho más que decir, excepto que la pregunta es ambigua, Widdison se quitó la ambigüedad estableciendo los parámetros principales, la gravedad y el vacío. Fuera de las condiciones establecidas, el agua ciertamente puede proyectarse hacia arriba más de 34 pies. Imagine que tiene una bomba en el océano con una potencia infinita, qué tan alto se mantendría un chorro de agua de esa bomba antes de romperse en pedazos más pequeños y venir ¿abajo? Pero entonces … esa es una pregunta completamente diferente, y seguramente sería muchas veces el límite establecido de 34 pies.

Seguramente debe haber alguien más calificado que yo para responder esta pregunta, pero lo intentaré. En primer lugar, se puede bombear agua de pozos muy profundos a cientos de pies, siempre que la bomba esté debajo de la columna de agua. Sin embargo, cuando la bomba está por encima del agua, arrastrando el agua a través de una tubería, depende de la capacidad del aire para mantener una succión para extraer el agua más pesada hacia arriba, al igual que cuando succionamos una pajita para extraer líquido de una taza. Llega un punto de inflexión en el que la presión de vapor del aire y el agua son iguales, y la columna de agua ya no puede sostenerse, sin importar cuánta succión se aplique, aproximadamente 33 pies.

Esto plantea la pregunta, ¿cómo crecen los árboles cientos de pies de altura?

La presión atmosférica al nivel del mar es de 14.7 psi. Cada 2.31 pies de columna de agua = 1 lb de presión. 14.7 x2.31 = 33.95 pies. La atmósfera es igual a 33.95 pies de columna de agua. Si toma una bomba de chorro de pozo poco profundo, en teoría, elimina esa columna de agua creando un vacío. Elimina solo 14.7 lbs o 33.94 pies y el nivel del agua se eleva tan alto solo. Dado que cualquier cosa mecánica no es perfecta y debido a la pérdida de fricción e ineficientemente, los instaladores de bombas dicen que solo levantará 25 ‘.

No es que el agua no se pueda proyectar hacia arriba, sino que no se puede cebar a una bomba ubicada a una altura de más de 30 pies sobre una fuente de agua al nivel del mar. Tenga en cuenta que una bomba no “aspira”, es la atmósfera la que empuja el agua hacia arriba después de que la bomba disminuye la presión interna en la bomba. Como un pie de agua tiene una altura de aproximadamente 1/2 psi, la presión atmosférica de 15 psi solo puede soportar un máximo de aproximadamente 30 pies.

Tenga en cuenta que esto se aplica a una bomba colocada sobre la superficie del fluido. Una bomba colocada en el agua puede bombear casi a cualquier altura dentro de la fuerza de la bomba.

La elevación de succión máxima de la bomba de agua habitual es de 34 pies, pero si coloca una bomba al pie del elevador: el límite es el cielo. Pero un ingeniero astuto decidió que si reducía la densidad del agua, podría absorberla aún más, utilizando burbujas de aire.

No tengo idea de lo que quieres decir. Producimos chorros de agua a cientos de pies en el aire. Bombeamos agua millas por las laderas de las montañas.

Puede estar pensando en tirar una aspiradora en la parte superior de una columna de agua. Esto es todo lo que la presión atmosférica más alta puede elevar el agua, ya que el vacío es simplemente “menos presión” en la parte superior de la columna.