¿Por qué el líquido en el espacio siempre forma una esfera en lugar de un cuadrado?

Comience preguntándose esto: ¿por qué debería formar alguna forma? ¿Por qué no debería flotar todo en el espacio?

Claramente hay algo que hacer. Las otras respuestas han identificado al culpable, pero no importa cómo se llame. El factor clave real es este: dado que hay ALGO, ¿por qué debería preferir una dirección sobre otra? ¿Por qué preferiría hacer 4 puntos en lugar de 2 o 13 o 42? ¿Por qué debería hacer 4 puntos orientados de esa manera particular, en lugar de como un diamante o algún otro ángulo?

Esa es su respuesta: no hay ninguna razón. Sea lo que sea, funcionará igual en todas las direcciones, todas las demás cosas serán iguales. ¿Y qué forma es la misma en todas las direcciones? Una esfera.

Es la misma razón por la que los planetas son redondos y las estrellas son redondas. En sus casos, la fuerza involucrada es la gravedad en lugar de las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de agua, pero es el mismo razonamiento: cualquier cosa que tire uniformemente en todas las direcciones producirá una esfera.

Incluso obtienes lo mismo aquí mismo en la tierra. Cuando el agua se asienta sobre una superficie, se ve así:

Se aplana de arriba a abajo, porque la gravedad apunta en una dirección particular. Pero en todas las demás direcciones no hay razón para preferir uno a otro, por lo que obtienes un círculo.

Antes que nada, creo que querías decir cubo cuando escribiste cuadrado. (escribiste ‘esfera’ y no círculo, así que …)

Para que cualquier masa de líquido en el espacio tome una forma particular, debe actuar sobre ella un conjunto apropiado de fuerzas. Entonces, para hacer un cubo, las fuerzas serían así:

esto o

Una combinación de los dos.

Una forma que podría suceder si hubiera tres personas, cada una de ellas con sus manos para presionar las caras del cubo (primera imagen), o cuatro personas, cada una con sus manos para tirar de las esquinas del cubo (segunda imagen) . Esto sería más fácil de entender si piensas en el agua como una masa. Incluso en este escenario no sería un cubo perfecto, tendría bordes redondeados y no bordes afilados.

¿Te imaginas un escenario en el que un conjunto de fuerzas tan improbable actuaría sobre una masa de agua mientras flota libremente dentro de una estación espacial?

Puedes imaginar cualquier forma en que podría estar el agua. ¿La forma de un huevo? Ya sea un conjunto de fuerzas presionando sobre sus lados, o un conjunto de fuerzas tirando de su parte superior e inferior, o una combinación de ambos. ¿La forma de un fideo largo y recto? Tendría que pasarlo a través de una pajita delgada para obtener esa forma, pero creo que cuando lo deja unos segundos después de pasarlo a través de una pajita, se volvería a convertir en una esfera.

El único conjunto de fuerzas que actúan sobre esa esfera son las que están dentro de ella: las fuerzas atractivas entre las moléculas de agua que las acercan. De lo contrario, cada molécula de agua flotaría por sí misma y el agua desaparecería en el aire a su alrededor en segundos.

Por eso toma la forma de una esfera. Es la forma que toma el agua cuando no actúan fuerzas externas sobre la masa. Es la forma que toma el agua porque es simétrica. Todas las fuerzas internas se equilibran entre sí y hacen que la presión interna sobre la masa sea uniforme y homogénea.

La forma de una gota en una superficie está determinada principalmente por dos factores: 1. Luego, la tensión dentro de la gota. 2. La fuerza de interacción entre la gota y la superficie. (aquí ignoramos la gravedad de la gota ya que normalmente la gravedad de una gota es mucho más pequeña que las dos anteriores).

La tensión de una gotita siempre es centrípeta, por lo que una gotita prefiere ser una esfera. Sin embargo, las fuerzas de atracción entre la gota y la superficie tienen muchos tipos y pueden ser enormes y pequeñas. Si la atracción es enorme, el ángulo de contacto de la gota en la superficie será pequeño, la gota se parecerá más a una placa. De lo contrario, la gota será más como redonda. Si la atracción tiene orientación, la forma de gota puede incluso ajustarse. Por ej. Si coloca una gota de magnetofluido en una película magnética bien controlada, ¡incluso puede obtener una gota triangular o cúbica!

Dentro de una estación espacial, con gravedad cero y temperatura ambiente, el agua formará algo esférico. O un montón de formas esféricas. Como han dicho otros, la atracción entre las moléculas de agua crea tensión superficial (en realidad, mejor llamada energía de superficie o incluso mejor, energía por unidad de superficie). Las cosas que se pueden mover libremente (como el agua a temperatura ambiente) se mueven para minimizar su energía, y eso significa minimizar el área de superficie total [energía total = energía de superficie por unidad de área por área total], y eso significa una forma esférica. Dije “más o menos esférica” ​​arriba, porque la masa de agua podría tener algo de impulso, o algo de energía vibratoria interna, o estar rebotando en las superficies, y todo eso podría deformar la superficie esférica.

Ahora, si expulsa un poco de agua de la estación espacial al espacio exterior (La pregunta decía “espacio”), no estoy muy seguro de lo que sucedería. La presión externa es repentinamente cero, por lo que podría evaporarse en una niebla muy dispersa de moléculas de agua. Pero la temperatura es repentinamente cercana a cero, por lo que podría congelarse en hielo, y el hielo puede tener una forma bastante irregular. Tal vez habría una combinación de ebullición y congelación que produciría una tormenta de nieve. Probablemente sea poco probable, pero tal vez si hiciste la expulsión correctamente. . . es decir, los resultados probablemente dependen de las condiciones iniciales. ¿Alguien tiene un video para mostrar lo que realmente sucede?

Primero corrijamos la premisa equivocada. Una sola masa de líquido en la gravedad cero del mundo real (omitiremos gradientes gravitacionales débiles por ahora) no siempre forma una esfera. En un rango de escala decreciente, puede acercarse más a una esfera y, dependiendo de su uso para la esfericidad, puede acercarse lo suficientemente cerca como para llamarla esfera. A niveles más pequeños de escala, dominan las fuerzas superficiales. A niveles más grandes de escala, las fuerzas de inercia dominan y pueden retrasar el alcance indefinido de una forma esférica para fines prácticos. Esta es otra forma de decir que las gotas más pequeñas estarán más cercanas y más estables a las esféricas. Las gotas más grandes pueden tardar un tiempo en establecerse a partir de sus modos de vibración. Dependiendo de su tamaño y la complejidad de la excitación inicial, pueden seguir siendo una gota que exhibe algunos modos vibratorios o si el equivalente de una onda maliciosa en su nivel de escala se produce debido a la superposición de los modos vibratorios y esto excede el efecto restaurador de las fuerzas superficiales entonces pueden dividirse en más de una gota antes de continuar estableciéndose. Cuando las vibraciones se asientan y quedan las fuerzas superficiales, la esfera es la configuración de energía mínima para la energía almacenada en las fuerzas superficiales.

La respuesta más simple a esta pregunta será, qué es más estable, una bola cuando se mantiene 0 en el suelo o un cubo en el suelo. la respuesta es simple, una pelota. La simple razón es que una esfera es la forma que tiene la propiedad de perder la menor cantidad de energía en comparación con cualquier otra forma. Ahora todas las sustancias en este universo finalmente se mueven hacia el equilibrio, es decir, un estado donde la pérdida de energía es cero o mínima. Por lo tanto, cualquier fluido en el aire o flujo libre sin un recipiente formará una forma esférica ya que la pérdida de energía es menor. La misma razón por la cual todos los planetas y cuerpos celestes son esféricos y no tienen ninguna otra forma.

Una respuesta de una palabra a esta pregunta es: tensión superficial.
Las moléculas de cualquier sustancia (materia) se atraen entre sí con una fuerza de atracción molecular (que es un desbordamiento de las fuerzas fundamentales en la naturaleza).
Estas fuerzas moleculares también determinan el estado de una sustancia (gaseosa, líquida o sólida). Las fuerzas moleculares de atracción están en orden decreciente de resistencia en sólidos, líquidos y gases.
Dado que las fuerzas moleculares de atracción son más fuertes entre las moléculas de una sustancia en estado líquido que en estado gaseoso, esto lleva a un fenómeno llamado tensión superficial.
Además, dado que las fuerzas moleculares de atracción son más fuertes entre las moléculas de una sustancia en estado líquido, es una tendencia de las moléculas de una gota de líquido flotante libre tratar de acercarse lo más posible. La forma geométrica que hace esto posible es la de una esfera, ya que una esfera es una forma que tiene el área de superficie más pequeña para un volumen dado.
A diferencia de la Tierra, en el espacio, una gota de líquido no tiene una fuerza gravitacional tan fuerte que pueda deformar su forma.

La tensión superficial es la fuerza principal detrás de esta forma, y ​​de hecho es lo que mantiene unida una gota de agua. Piensa en un globo: ¿por qué es espermático? Debido a la fuerza que ejerce la membrana de goma contra el aire en el interior para tener la menor área de superficie para un volumen dado. La tensión superficial actúa como una membrana elástica y, si no se la altera, una bola de agua estacionaria es esférica. La propia gravedad de la gota de agua podría ayudar en un entorno sin gravedad, pero tiene un efecto mínimo en comparación con la tensión superficial.

Debido a las pequeñas y atractivas fuerzas “electrostáticas” entre las moléculas, la energía más baja se produce cuando las moléculas se juntan estrechamente para que cada molécula esté rodeada por la mayor cantidad posible de otras.

Obviamente, una cadena, de una molécula de ancho, no es ideal, hay un espacio vacío al lado de cada molécula. Entonces la cuerda se acorta y engorda hasta formar un bulto. Ahora cualquier bulto en la superficie del bulto es un poco como la cuerda y puede tener menos energía. La energía más baja será cuando la superficie tenga la curvatura mínima posible en todas partes. Esta es una esfera.

En la gravedad hay un intercambio entre la gravedad y las fuerzas electrostáticas, la esfera se aplasta y por encima de un cierto tamaño se rompe. Del mismo modo, para una gota de lluvia que cae, a medida que se hacen más grandes, son reformados por la fuerza del aire que pasa.

En el espacio no hay gravedad, por lo que las gotas pueden formar su forma natural de baja energía, una esfera.

La explicación más simple en la parte superior de mi cabeza es la tensión superficial. OK, la tensión superficial es un tipo de fuerza, pero esta también tiene una energía superficial vinculada a ella. Mediante cálculos muy simples, puede probar que entre la esfera y el cubo del mismo volumen, el área de la superficie de la esfera <área de la superficie del cubo. leyendo puede encontrar que la energía que necesitamos es proporcional al área de superficie. La energía de una configuración dada. es mínimo para obtener la máxima estabilidad.
Por lo tanto, la esfera gana …: D

Tensión superficial. Una superficie esférica tiene la menor energía entre todas las configuraciones.

Debido a la tensión superficial, los líquidos forman una esfera que tiene la menor área de superficie y es la forma más compacta.

Simetría de la tensión superficial. Todo está tirando hacia el centro.

La simetría interna de la fuerza gravitacional también es la razón por la cual los planetas tienen una forma algo esférica.

En cierto sentido, Dios sopla burbujas, no cubos.

¿Has oído hablar de la tensión superficial? El agua tiene mucha cantidad. Es por eso que el agua forma agradables glóbulos