A física surpreendente da água

"Não há nada mais suave e fraco do que a água, e ainda não há nada melhor para atacar coisas duras e fortes." Lao Tzu

O sábio chinês Lao Tzu declarou este paradoxo em seu texto antigo, o "Tao Te Ching." De fato, capacidade da água de lavar, acalmar e nutrir contrasta com a sua força bruta, como exibido pelas cataratas do Iguaçú e o Grand Canyon (esculpidas ao longo do tempo pelo Rio Colorado), sem falar nos tsunamis.

Da mesma forma paradoxal, a água é ao mesmo tempo extremamente familiar - que compõem cerca de dois terços de nossos próprios corpos e cobrindo três quartos do planeta - e extremamente misteriosa. Muitas das suas propriedades irão surpreendê-lo completamente. Outros são tão estranhos que ainda escapam a compreensão científica.

Corrida para o fundo

Uma pessoa usando a lógica poderia supor que seria necessário mais tempo para a água quente atingir 0º Celsius e congelar do que água fria. Mas estranhamente, isso nem sempre é o caso. Como foi observado pela primeira vez por um aluno da escola da Tanzânia alta, Erasto Mpemba, em 1963, a água quente realmente congela mais rápido do que água fria, quando os dois corpos de água estão expostos ao ambiente abaixo de zero ao mesmo tempo.

E ninguém sabe porquê

Uma possibilidade estudada é que o efeito Mpemba é o resultado de um processo de circulação de calor chamado de convecção. Em um recipiente, água quente sobe até o topo, empurrando a água mais fria abaixo dele e cria um "hot top." Os cientistas especulam que a convecção pudesse de alguma forma acelerar o processo de resfriamento, permitindo que água mais quente congele mais rápido do que água mais fria, já que a velocidade de circulação faz com que a água quente perca calor mais rapidamente.

Substância escorregadia

Um século e meio de investigação científica ainda tem que determinar por que o gelo pode fazer você cair. Os cientistas concordam que uma fina camada de água líquida em cima de gelo sólido faz seu efeito escorregadio, e que a mobilidade de um fluido faz com que seja difícil de andar, mesmo que a camada seja fina. Mas não há consenso a respeito de porque o gelo, ao contrário da maioria outros sólidos, tem esse tipo de camada.

Os teóricos têm especulado que ela pode criar propriedades para deslizar ou patinar -  ao fazer contato com o gelo - que derrete a superfície. Outros pensam que a camada de fluido é de alguma forma gerada pelo movimento inerente de moléculas de superfície, mesmo que não haja o contato externo.

Aquanaut

Na Terra, a água fervente cria milhares de pequenas bolhas de vapor. No espaço, por outro lado, produz uma bolha gigante ondulante. dinâmica de fluidos são tão complexos que os físicos não sabia o que aconteceria com água fervente em condições de gravidade zero até que o experimento foi finalmente realizada a bordo de um ônibus espacial em 1992 . Depois, os físicos decidiram que o mais simples diante de ebulição no espaço provavelmente resulta da ausência de convecção e flutuabilidade - dois fenômenos causados ​​pela gravidade. Na Terra, estes efeitos produzem a turbulência que observamos em nosso bules.

Levitando líquido

Quando uma gota de água cai sobre uma superfície muito mais quente do que seu ponto de ebulição( +de 100ºC), pode escorregar em toda a superfície por muito mais tempo do que você esperaria. Chamado efeito Leidenfrost, isso ocorre porque, quando a camada inferior da gota evapora, as moléculas de água gasosa naquela camada não têm para onde escapar, assim que sua presença isola do resto da gota e impede que esta tocando a superfície quente abaixo. A gota, assim, sobrevive por alguns segundos, sem ferver.

Membrana insana

Às vezes a água parece desafiar as leis da física, manter-se unida apesar das tentativas da gravidade ou mesmo a pressão de objetos pesados ​​para quebrá-lo.

Este é o poder da tensão superficial, uma propriedade que faz com que a camada externa de um corpo de água (e alguns outros líquidos) agem como uma membrana flexível. A tensão superficial surge porque as moléculas de água criam um vinculo flexível um com o outro. Por causa das ligações fracas entre elas, as moléculas na superfície puxam pra dentro as moléculas abaixo deles. As moléculas ficam unidas até que as forças de separá-las ultrapassem a força daqueles ligações fracas, e quebram a superfície.

Na foto acima, por exemplo, um clipe de papel repousa sobre a camada superior de um corpo de água. Embora o metal é mais denso que a água e, portanto, deveria afundar, a tensão superficial está impedindo que o clipe de quebrar a superfície da água. Mesmo efeito acontece com pequenos insetos e até mesmo com pequenos animais como o lagarto Jesus.

Ebulição de neve

Quando há um enorme gradiente de temperatura entre a água e o ar exterior - por exemplo, quando uma panela de água fervente medindo 212º Fahrenheit (100º C) é espirrada no ar medindo menos 30º F (-34º C) - um efeito surpreendente ocorre. A água fervente vai virar instantaneamente neve em pó.

A explicação: O ar extremamente frio é muito denso, com suas moléculas espaçadas tão intimamente que não há muito espaço sobrando para o transporte de vapor de água. Água fervente, por outro lado, emite vapor muito facilmente. Quando a água é lançada no ar ele quebra em gotas, que têm área de superfície maior para o vapor a subir. Isso representa um problema. Há mais vapor sendo emitido do que o ar pode conter, de modo que o vapor "precipita" por apego a partículas microscópicas no ar, como o sódio ou cálcio, formando cristais. E assim acontece a formação de flocos de neve.

Espaço vazio

Embora a forma sólida de quase todas as substância é mais densa do que sua forma líquida, devido ao fato de que os átomos em sólidos normalmente ligam-se bem juntos, isso não é verdade para H2O. Quando a água congela, seu volume aumenta em cerca de 8%. Este é o comportamento estranho que permite que os cubos de gelo, e até mesmo icebergs,  flutuar.

Quando a água esfria a seu ponto de congelamento, há energia de menos fazendo suas moléculas pularem, de modo que as moléculas são capazes de formar ligações estáveis ​​de hidrogênio com seus vizinhos e, gradualmente, vai se acalmando, o que é o mesmo processo básico que faz com que todos os líquidos se solidificarem. E, assim como em outros sólidos, as ligações entre as moléculas no gelo são realmente mais curta e mais apertada do que os laços soltos na água líquida, a diferença é que a estrutura hexagonal de cristais de gelo deixa um monte de espaço vazio, o que torna o gelo menos denso que a água em geral.

O excedente de volume às vezes pode ser visto na forma de " picos de gelo "em cima de cubos de gelo no seu freezer. Estes picos são compostos de o excesso de água que é espremido para fora de um cubo pelo congelamento (e expansão) de gelo em torno dele.

Em um recipiente, a água tende a congelar a partir dos lados e no fundo em direção ao centro e de cima, de modo que o gelo se expande em direção ao centro. Às vezes, um bolsão de água fica presa no meio sem ter para onde correr, e esguicha de um buraco no topo do cubo, o congelamento na forma de um jato.

De todos os tipos

Como diz o ditado, "não há dois flocos de neve iguais." De fato, em toda a história de neve, cada um de essas belas estruturas foi completamente único. Eis o porquê: Um floco de neve começa como um prisma hexagonal simples. À medida que cada floco de congelamento cai, ela esbarra em uma gama única de forma de mudança de condições, incluindo diferentes temperaturas, umidade e pressão do ar. Isso é o suficiente variáveis ​​que nunca a formação de cristais acontece da mesma forma duas vezes.

Dito isto, a coisa legal sobre flocos de neve é ​​que seus seis braços crescer em perfeita sincronia, criando simetria hexagonal, porque cada braço experimenta as mesmas condições que todos os outros.

De onde a água vem?

A origem exata de água do nosso planeta, que abrange cerca de 70 por cento da superfície da Terra, ainda é um mistério para os cientistas. Eles suspeitam que a água  conglomerada na superfície do planeta se formou 4,5 bilhões de anos teria evaporado-se do calor intenso do sol, o jovem ardente. Isso significa que a água que temos agora deve ter chegado aqui mais tarde.

Como? Bem, durante um período de cerca de 4 bilhões de anos atrás chamado de Bombardeio Pesado Tardio, objetos maciços, provavelmente de fora do sistema solar, atingem a Terra e os planetas interiores. É possível que esses objetos foram preenchidos com água, e que essas colisões poderia ter entregue os reservatórios gigantes de água para a Terra.

Cometas - pedaços de gelo e rocha com caudas de gelo que fazem grandes órbitas em torno do Sol - são os prováveis ​​culpados pela chegada do líquido á Terra. Há um problema, porém: medições remotas da água evaporada de vários cometas importantes (Halley, Hyakutake e Hale-Bopp) revelaram que os seus gelos de água é feito de um tipo diferente de H20 (contendo um isótopo pesado do hidrogênio) do que na Terra, sugerindo que os cometas não possa ser a fonte de toda a água de nosso planeta.


FONTE: http://www.lifeslittlemysteries.com/water-strange-physics-2026/