Cave canem: Física de la cerveza

Bueno, a ver si sale: física de la cerveza

Si apoyamos sobre la mesa el vaso de cerveza recién servido, lo primero que notamos es que se forman burbujas en su interior que se mueven lentamente hacia arriba.

¿Por qué suben las burbujas? La explicación es simple física de la escuela secundaria: por el principio de Arquímedes (ese que dijo “eureka”, como la gallinita)

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba que es igual al peso del líquido desalojado.

En el caso de la cerveza, el cuerpo sumergido es una burbuja de dióxido de carbono, en forma de una pequeña esfera, que es entonces empujada hacia la superficie.

Pero intentemos entenderlo con un poco más de detalle ¿cuál es la causa de este fenómeno? La primera respuesta es que el empuje se debe la presión hidrostática, que es la fuerza que hace el líquido en cada centímetro cuadrado de un cuerpo sumergido. Esta presión hidrostática es mayor en la parte de abajo del vaso de cerveza que en la parte de arriba. Por eso la burbuja recibe más fuerza en la mitad inferior de su superficie que en la mitad superior. La fuerza neta es entonces ascendente y la burbuja sube.

Pero ¿qué causa la presión hidrostática? Si ajustamos el microscopio un poco más, veremos que las moléculas del líquido (agua, azúcares, almidones, y por supuesto alcohol) se agitan incesantemente chocando una contra otras. En medio de esta agitación térmica , las moleculas golpean la burbuja desde todas las direcciones, ejerciendo una fuerza en cada centímetro cuadrado. Esa fuerza cambia según la posición, es más fuerte del lado de abajo de la burbuja, y menos del lado de arriba.

Sin embargo, si aceleramos el vaso empujándolo sobre la barra (atención: este experimento debe realizarse con el primer vaso) el empuje deja de ser vertical. En lugar de moverse hacia arriba, en el vaso acelerado las burbujas se mueven… ¡hacia adelante! Si, así de contraintuitivo: en el vaso acelerado, la presión es mayor del lado donde la mano empuja, y luego las burbujas se alejan de ella.

La presión hidrostática existe en cualquier fluído (líquido o gas) y puede ser enorme

Por ejemplo, la presion hidrostática que ejerce el aire de la atmósfera sobre nuestros cuerpos se llama presión atmosférica, y es de más o menos un kilogramo en cada centímetro cuadrado de piel. No la sentimos porque la presión desde dentro de nuestros cuerpos es igual y la contrarresta.

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En el fondo del océano o en la superficie de Venus, la fuerza ejercida por la presión hidrostática puede ser de toneladas en cada centímetro cuadrado. Por eso los submarinos no pueden descender más que unos pocos cientos de metros sin ser aplastados como una lata. Y por eso las famosas sondas Venera de la URSS duraron sólo unos minutos en la superficie de Venus.

(PD, processed by Ted Stryk)
En el interior del sol, esa presión es tan grande que vence las fuerzas repulsivas entre los núcleos atómicos, y los obliga a acercarse tanto que se pueden fusionar, liberando su energía. Esta se aleja del sol en forma de luz, e ilumina la Tierra donde las plantas la absorben y crecen. Así, la energía de la presión hidrostática en el interior del sol se transforma en grano, luego en malta, y finalmente en cerveza.

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Volviendo entonces a la cerveza. ¿Por qué se forman burbujas? ¿por qué crecen hasta explotar en la superficie o se encogen hasta desaparecer? El destino de una burbuja lo decide una competencia entre dos fenómenos: la tensión superficial y el calor latente.

El calor latente nos dice cuanta energía ganamos cuando tomamos una cantidad de dióxido de carbono disuelto en la cerveza y lo transformamos en gas. Al dióxido de carbono no le gusta estar disuelto, y entrega gustoso una parte de su energía con tal de volver al estado gaseoso, incluso si para eso tiene que empujar la cerveza hacia afuera para hacerse un lugar y formar una burbuja.

Pero al formarse la burbuja, se crea en sus paredes una separación entre el gas y el líquido. Y eso no es gratis, porque tal pared, o interfase tiene una tensión superficial, comportándose como una membrana elástica a la que no le gusta estirarse. Por lo tanto, cuesta una cierta energía inflar la burbuja, que hay que pagar con la energía obtenida del calor latente liberado al transformar en gas el dióxido de carbono disuelto.

Entonces, si al formarse espontáneamente una burbuja alcanza la energía liberada por el calor latente para pagar lo requerido por la tensión superficial, la burbuja sobrevive. Si en cambio no hay suficiente energía, se contrae hasta desaparecer.

La energía obtenida del calor latente es proporcional al volumen de la burbuja. En cambio, la que hay que pagar a la tensión superficial es proporcional a su superficie. El volumen crece como el tamaño de la burbuja elevado al cubo, mientras que la superficie crece como el tamaño elevado al cuadrado. Por lo tanto, las burbujas más grandes ganan más energía del calor latente que la que pagan en tensión superficial, y pueden crecer y subir hasta arriba. En cambio, las más pequeñas no alcanzan a pagar con su calor latente el precio de la tensión superficial, y desaparecen.

Esto explica lo que sucede cuando enfriamos demasiado la cerveza: a temperaturas muy bajas, las burbujas que se forman espontáneamente son muy pequeñas y no tienen energía suficiente para estirar su pared e inflarse.

También explica por qué se acumulan burbujas en la pared del vaso: al usar esa pared como parte de su borde, la burbuja se ahorra la mitad de su superficie, por lo que paga mucha menos energía a la tensión superficial. Lo mismo sucede en las pequeñas partículas suspendidas en el interior, que se ven como un punto del líquido del cual surgen incesantemente burbujas que escapan hacia la superficie. Estas impurezas actúan como semillas para la formación de burbujas.

Esta competencia entre fenómenos de volumen y de superficie se llama nucleación y tiene un rol crucial muchas áreas de la física

Cada vez que hay una transición de fase, se forman burbujas de la nueva fase en medio de la vieja. Si son demasiado pequeñas, la transición no puede producirse. Por ejemplo, para formar el hielo en el que enfriamos las botellas, no sólo es necesario bajar la temperatura del agua, sino también proveer pequeñas inhomogeneidades que sirvan de semilla para la formación de cristales. En un bar, estas inhomogeneidades son causadas por la vibración de las heladeras.

(CC BY 2.0, by Visit Greenland)
Los pescadores de perlas arrojan granos de arena en el interior de las ostras. De este modo, introducen semillas que facilitan la nucleación de carbonatos a su alrededor, dando origen al preciado producto.

(CCO)
En cosmología, la teoría de la inflación eterna postula que nuestro universo es una burbuja de relativa tranquilidad, que pudo crecer en un mar de furiosa expansión. La estructura de tal burbuja fueron fotografiadas por los satélites COBE, WMAP y Planck, en lo que constituye uno de los resultados científicos más impresionantes de las últimas décadas.

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De nuevo en la cerveza ¿por qué se forma espuma en la cerveza y no, digamos, en la soda, que tambien contiene dióxido de carbono disuelto?

Otra vez, la explicación tiene que ver con la competencia entre el calor latente y la tensión superficial: si de algún modo lográramos disminuir la tensión superficial de un líquido, las burbujas saldrían más baratas, y podrían formarse con un tamaño más pequeño. Existen sustancias llamadas tensioactivos que, al ser disueltas en un líquido, tienen el esfecto de disminuir su tensión superficial. Resulta ser que muchas de las sustancias disueltas en la cerveza son tensioactivos, y por eso resulta mucho más barato crear espuma en la cerveza que en la soda.

Los tensioactivos son una parte fundamental de la civilización humana

El jabón o el detergente son tensioactivos que disminuyen la tensión superficial del agua, facilitando que se mezcle con la grasa. De este modo, la grasa se despega de las superficies y podemos lavar los platos… después de todo ¿qué otra cosa nos queda a los científicos en un país como este?

(Fuente)
El jabón tiene casi 5000 años de antigüedad. Sin embargo, fue sólo cuando la ola imparable de revolución científica llevó a Pasteur a descubrir los mecanismos de la infección, que comenzamos a utilizar la higiene preventiva como herramienta sanitaria. Seguida por las vacunas y los antibióticos, la higiene es uno de los pilares de la triplicación de la esperanza de vida de los ultimos dos siglos.

(PD)
Los tensioactivos son un ejemplo de un campo tremendamente rico de investigación: el de la fisica de las superficies. Atravesada igualmente por cuestiones de fisica fundamental y de ingeniería, es un área muy activa que abarca desde la creación de nuevos materiales, hasta el estudio de la corrosión y como evitarla.

(PD)

La moraleja es que la física que podemos aprender en un vaso de cerveza, se aplica desde en cosas tan cercanas como las perlas, el detergente o la corrosión, hasta cuestiones mucho más provocativas como la esperanza de vida, el fondo del mar, la atmósfera de Venus, el Sol, o la creación del universo.