¿Es el agua realmente incompresible? Si es así, ¿es igual la densidad en el fondo del océano y su superficie? Si es así, ¿es imposible hacer que un objeto flote en el medio?

El agua es ligeramente compresible. A menudo lo tratamos como incompresible cuando hacemos cálculos de flujo de fluido porque los cambios de presión involucrados son demasiado pequeños para hacer un cambio apreciable en la densidad. Eso lo hace mucho más simple. Pero eso es solo una aproximación. Es una muy buena aproximación, pero sigue siendo solo una aproximación.

El agua en el fondo del océano es más densa que en la superficie debido a la gran presión allí. También es un poco más denso porque es más frío en la parte inferior. Aproximadamente 4 ° C. No es una coincidencia que esa sea la temperatura para la cual el agua es más densa. El agua más densa se hunde en agua menos densa. Por lo tanto, cualquier agua que esté a 4 ° C se hundirá en agua a cualquier otra temperatura y, por lo tanto, el agua de 4 ° C se acumula en el fondo.

Es posible hacer que algo flote a una profundidad constante ajustando su densidad y asegurándose de que sea más rígido que el agua. Me inclinaría por comenzar con una esfera hueca de acero. Sin embargo, tendría que calcular la rigidez efectiva. No es sólido, por lo que no podemos buscar el módulo de acero y usarlo. Pero creo que encontraríamos que podríamos hacerlo funcionar.

La mayoría de los líquidos, agua incluida, son casi perfectamente incompresibles. Este es el principio detrás de la hidráulica.

Sin embargo, los objetos en el agua pueden ser comprimibles. Por ejemplo, los trajes de neopreno que usan los buzos. Esto generalmente hace que los objetos floten más negativamente a medida que se hunden, ya que se aprietan en un volumen más pequeño a medida que bajan en profundidad. Colgar en el medio requiere un control activo de flotabilidad.

El agua es compresible. Que el hecho sea relevante depende del contexto. De hecho, varias regiones del océano están definidas por la densidad del agua de mar. (ver figuras 1 y 2)

En muchos casos se puede suponer que el aire es un fluido incompresible. En muchos casos se puede suponer que el agua es incompresible. Si bien se pueden simplificar muchos análisis, obviamente hay que tener cuidado.

El cambio de densidad es una consecuencia de los fluidos compresibles. Las diferencias sutiles en la densidad podrían no tener una gran influencia en los fenómenos de escala de tiempo corto. Sin embargo, los fenómenos a gran escala temporal, como el clima y la circulación termohalina, son significativas.

Los detalles de la pregunta muestran una comprensión que muchos podrían pasar por alto. Un objeto neutralmente flotante tiene una estabilidad neutral. Es posible que un submarino tenga mucho más en común con un avión y un transbordador espacial de lo que muchos piensan. Ver ¿Cómo emergen los submarinos? Los submarinos son cuerpos de elevación. También se puede buscar la desafortunada historia del USS Thresher (SSN-593). También es interesante el planeador Slocum de Web Research, ahora una compañía de Teledyne.

Muchos de los que sugieren tener un objeto “flotando” en la columna de agua media pueden nunca haber intentado el ejercicio. Una lección introductoria de buceo en una piscina resalta la dificultad. Incluso cuando uno hace trampa y cuidadosamente aplica capas de fluidos de diferentes densidades, es un desafío. Todavía estoy fascinado con mi termómetro galileo.

Imagen 1: De Windows al Universo

El gráfico a continuación resalta algunas de las texturas más finas que la escala en el gráfico anterior no muestra debajo de 1300 ‘.

Imagen 2: De Introducción a la Oceanografía Física, R. Stewart.

Bajo presiones realmente extremas, el agua se puede comprimir en un sólido con varias estructuras de celosía diferentes al hielo ordinario, a veces llamadas “hielos calientes”.

Puede encontrarlos en exoplanetas con “océanos” muy profundos, o planetas gigantes gaseosos en los que el agua es el material predominante.

Hielo

Diagrama de fase del agua.

La compresibilidad surge debido a las débiles fuerzas intermoleculares. En líquidos y sólidos, las fuerzas son lo suficientemente fuertes como para que no tengan compresibilidad, son muy bajas. Pero los gases tienen una alta compresibilidad. Por lo tanto, el agua es incompresible. Puedes intentar probarlo. Vierta una gran cantidad de agua en el cilindro e intente comprimir con pistón.

A todos los efectos, en la vida “normal”, el agua no es compresible, pero, por supuesto, bajo una presión muy intensa, es compresible.

Por ejemplo, colóquelo en un agujero negro, definitivamente se comprimiría.

rafe

No, el agua no es incompresible, y no es más resistente a la compresión que otras cosas en gran medida.

El agua tiene un módulo de volumen de aproximadamente 2 GPa. A 5000m de profundidad, la presión de una columna de agua es de aproximadamente 1/20 GPa. Eso significa que el agua se comprime aproximadamente un 2% a esa profundidad, que es aproximadamente la profundidad de muchos de los océanos.

La mayoría de los sólidos son en realidad mucho menos compresibles que el agua. El diamante tiene un módulo de masa de 443 GPa, por lo que el agua es más de 200 veces más compresible que el diamante.

De hecho, podría encontrar algo que, naturalmente, se asienta a la mitad de una columna de agua si su densidad fuera aproximadamente igual a la del agua y su módulo de volumen fuera mayor que las aguas. Algún tipo de concreto ligero podría funcionar.

Sí, con énfasis en “virtualmente”. Lo que distingue un gas de un líquido es que, por definición, los gases son compresibles y los líquidos no. Ambos son fluidos. El agua es casi completamente líquida; en el mundo real se comprime un poco, pero generalmente podemos ignorar esto.

El agua es ligeramente compresible, como lo demuestra su capacidad para conducir el sonido.