En física , una superficie libre es la superficie de un fluido que está sujeto a un esfuerzo cortante paralelo cero , [1] como la interfaz entre dos fluidos homogéneos . [2] Un ejemplo de estos dos fluidos homogéneos es el agua líquida y el aire en la atmósfera de la Tierra . A diferencia de los líquidos , los gases no pueden formar una superficie libre por sí mismos. [3] Los sólidos fluidizados / licuados , incluidas las lechadas , los materiales granulares y los polvos pueden formar una superficie libre.
Un líquido en un campo gravitacional formará una superficie libre si no está confinado desde arriba. [3] En equilibrio mecánico, esta superficie libre debe ser perpendicular a las fuerzas que actúan sobre el líquido; si no, habría una fuerza a lo largo de la superficie y el líquido fluiría en esa dirección. [4] Por lo tanto, en la superficie de la Tierra, todas las superficies libres de los líquidos son horizontales a menos que se alteren (excepto cerca de los sólidos que se sumergen en ellos, donde la tensión superficial distorsiona la superficie en una región llamada menisco ). [4]
En un líquido libre que no se ve afectado por fuerzas externas como un campo gravitacional, las fuerzas de atracción internas solo juegan un papel (por ejemplo , fuerzas de Van der Waals , enlaces de hidrógeno ). Su superficie libre asumirá la forma con menor superficie para su volumen: una esfera perfecta . Tal comportamiento se puede expresar en términos de tensión superficial . Se puede demostrar experimentalmente al observar un gran glóbulo de aceite colocado debajo de la superficie de una mezcla de agua y alcohol que tenga la misma densidad para que el aceite tenga una flotabilidad neutra . [5] [6]
Si se altera la superficie libre de un líquido, se producen ondas en la superficie. Estas ondas no son ondas elásticas debido a ninguna fuerza elástica ; son ondas de gravedad causadas por la fuerza de la gravedad que tienden a llevar la superficie del líquido perturbado a su nivel horizontal. El impulso hace que la onda se sobrepase , oscilando y extendiendo la perturbación a las partes vecinas de la superficie. [4] La velocidad de las ondas superficiales varía como la raíz cuadrada de la longitud de onda si el líquido es profundo; por lo tanto, las olas largas en el mar van más rápido que las cortas. [4]Las ondas u ondulaciones muy diminutas no se deben a la gravedad sino a la acción capilar , y tienen propiedades diferentes a las de las olas más largas de la superficie del océano , [4] porque la superficie aumenta en área por las ondulaciones y las fuerzas capilares son en este caso grandes. en comparación con las fuerzas gravitacionales. [7] Las ondulaciones capilares se amortiguan tanto por la viscosidad del subsuelo como por la reología de la superficie .
Si un líquido está contenido en un recipiente cilíndrico y gira alrededor de un eje vertical que coincide con el eje del cilindro, la superficie libre asumirá una superficie parabólica de revolución conocida como paraboloide . La superficie libre en cada punto forma un ángulo recto con la fuerza que actúa sobre él, que es la resultante de la fuerza de gravedad y la fuerza centrífuga del movimiento de cada punto en un círculo. [4] Dado que el espejo principal de un telescopio debe ser parabólico, este principio se utiliza para crear telescopios de espejo líquido .
Considere un recipiente cilíndrico lleno de líquido que gira en la dirección z en coordenadas cilíndricas, las ecuaciones de movimiento son: