El buzo cartesiano o diablo cartesiano es un experimento científico clásico que demuestra el principio de flotabilidad ( principio de Arquímedes ) y la ley de los gases ideales . La primera descripción escrita de este dispositivo la proporciona Raffaello Magiotti , en su libro Renitenza certissima dell'acqua alla compressione (Renitenza certissima dell'acqua alla compressione) publicado en 1648. Recibe su nombre en honor a René Descartes , ya que se dice que el juguete fue inventado por él. [ cita requerida ]
El principio se utiliza para fabricar pequeños juguetes a los que se suele llamar "bailarines acuáticos" o "diablos acuáticos". El principio es el mismo, pero el cuentagotas se sustituye por un objeto decorativo con las mismas propiedades, que es un tubo de flotabilidad casi neutra, por ejemplo, una burbuja de vidrio soplado . Si se hace girar la cola de la burbuja de vidrio, el flujo de agua que entra y sale de la burbuja de vidrio crea un movimiento giratorio. Esto hace que el juguete gire mientras se hunde y se eleva. Un ejemplo de este tipo de juguete es el "diablo" rojo que se muestra aquí. El dispositivo también tiene un uso práctico para medir la presión de un líquido .
En los años 50, los buzos de plástico se regalaban en las cajas de cereales estadounidenses como juguete gratuito, y "Diving Tony", una versión del juguete inspirada en la mascota de Kellogg's Frosted Flakes, Tony el Tigre , se puso a disposición en los años 80.
El experimento requiere una botella grande llena de agua, dentro de la cual hay un "buzo": un tubo pequeño y rígido, abierto en un extremo, muy similar a un gotero con la cantidad de aire suficiente para que tenga una flotabilidad casi neutra , pero lo suficientemente flotante como para que flote en la parte superior mientras está casi completamente sumergido. Se pueden construir dos "buzos" alternativos: uno sellado pero con una bombilla flexible, y el otro con una bombilla de vidrio sellada (linterna sin base de metal) con hilos de lana colgando por debajo. El flexible se comprimirá reduciendo el volumen, y el de vidrio sólido no cambiará, pero las burbujas de aire quedarán atrapadas en las fibras y expuestas a la presión, por lo que cambiará el volumen.
El “buceo” se produce cuando la parte flexible del recipiente más grande se presiona hacia adentro, aumentando la presión dentro del recipiente más grande, haciendo que el “buceador” se hunda hasta el fondo hasta que se libera la presión, momento en el que vuelve a subir a la superficie. Si el recipiente es rígido, como en el caso de una botella de vidrio, el corcho que sella la botella se presionaría hacia adentro o se tiraría hacia afuera.
Hay suficiente aire en el buzo para que flote positivamente . Por lo tanto, el buzo flota en la superficie del agua. Como resultado de la ley de Pascal , al apretar el recipiente hermético aumenta la presión del aire, parte de la cual se ejerce contra el agua que constituye una "pared" del recipiente hermético. Esta agua, a su vez, ejerce una presión adicional sobre la burbuja de aire dentro del buzo; debido a que el aire dentro del buzo es comprimible pero el agua es un fluido incompresible, el volumen del aire disminuye pero el volumen del agua no se expande, de modo que la presión externa al buzo a ) fuerza el agua que ya está en el buzo más hacia adentro y b ) impulsa el agua desde afuera del buzo hacia el buzo. Una vez que la burbuja de aire se vuelve más pequeña y entra más agua en el buzo, el buzo desplaza un peso de agua que es menor que su propio peso, por lo que se vuelve negativamente flotante y se hunde de acuerdo con el principio de Arquímedes . Cuando se libera la presión del recipiente, el aire se expande nuevamente, aumentando el peso del agua desplazada y el buceador vuelve a tener flotabilidad positiva y flota.
Se podría pensar que si el peso del agua desplazada coincidiera exactamente con el peso del buceador, no se elevaría ni se hundiría, sino que flotaría en el medio del recipiente; sin embargo, esto no ocurre en la práctica. Suponiendo que tal estado existiera en algún momento, cualquier desviación del buceador de su profundidad actual, por pequeña que sea, alterará la presión ejercida sobre la burbuja en el buceador debido al cambio en el peso del agua sobre él en el recipiente. Es un equilibrio inestable . Si el buceador se eleva, incluso en la cantidad más minúscula, la presión sobre la burbuja disminuirá, se expandirá, desplazará más agua y el buceador se volverá más positivamente flotante, elevándose aún más rápidamente. Por el contrario, si el buceador desciende la cantidad más pequeña, la presión aumentará, la burbuja se contraerá, entrará agua adicional, el buceador se volverá menos flotante y la velocidad de la caída se acelerará a medida que la presión del agua aumente aún más. Este refuerzo positivo amplificará cualquier desviación del equilibrio, incluso la debida a fluctuaciones térmicas aleatorias en el sistema. Existe un rango de presiones constantes aplicadas que permitirán al buzo flotar en la superficie o hundirse hasta el fondo, pero para que flote dentro del cuerpo del líquido durante un período prolongado se requeriría una manipulación continua de la presión aplicada.
Los buceadores que se encuentran dentro de una botella de plástico ovalada adquieren nuevas e interesantes propiedades. De hecho, una botella ovalada puede aumentar de volumen cuando se comprime y, si esto sucede, el buceador ahogado puede ascender. [1]
