Del Horror Vacui a Hooke. Historia del Vacío y la Presión Atmosférica

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Horror vacui

La física pneumática despegó gracias a una observación de Galileo: las bombas de succión no podían elevar el agua más de 10,5 metros, lo que él interpretó como horror vacui. La naturaleza aborrece el vacío con una fuerza (por unidad de área) igual al peso de una columna de agua de 10,5 m. Por encima, la columna se cae  porque el horror vacui no es suficiente para soportar todo su peso. Galileo dixit.

galileoBaliani, que era algo así como su corresponsal, le sugirió sustituir el horror vacui por el peso del aire atmosférico. Es decir, la presión del peso del aire atmosférico sobre la superficie del estanque hace que el agua ascienda por el tubo de la bomba hasta que su peso ejerza sobre la superficie la misma presión que el aire, momento en que ambos fluidos están en equilbrio. Pero Galileo era aristotélico, y eso de que el aire pesase en el aire le sonaba a cuento chino. Recordamos que para Aristóteles había cuatro elementos: aire, fuego, tierra y agua. Estableció una relación de pesos entre ellos para distribuir la materia en el universo. El fuego se escapa siempre, la tierra es pesada en sentido absoluto. Pero el aire no pesa en el aire.

Unos años después, algunos discípulos de Galileo, entre ellos Maignan hicieron un vistoso experimento en Roma para probar el efecto y descubrieron por encima de la columna de agua un posible espacio macroscópico vacío. Vacío por llamarlo de alguna manera, porque el agua desprendía burbujas, lo atravesaba la luz y transmitía el sonido.

El vacío de Torricelli

Fué otro discípulo de Galileo, Magiotti, el que sugirió a Torricelli el uso de agua marina, más densa. Y Torricelli acabó consiguiendo un buen tubo de vidrio para realizar el experimento  con mercurio, de manera que la longitud pasaba de los 10,5 m originales a 75 cm. El mercurio es 14 veces más denso que el agua. Y cuando hizo sus experimentos le dió la razón a Baliani. Era el peso de la atmósfera el que mantenía la columna de agua, mercurio o cualquier otro fluido. Vivimos en el fondo de un  mar de aire que presiona hidrostáticamente en todas direcciones, y el peso de la atmósfera se traduce en la presión del aire.

torricelliEl experimento de Torricelli consiste en tomar un tubo de un metro aproximadamente abierto por un extremo. Mediante un embudo se llena de mercurio, se tapa la boca y se invierte sobre un recipiente lleno de mercurio. Al destapar el tubo bajo el mercurio de la cubeta, el mercurio del tubo desciende hasta alcanzar una altura de 75 cm. Se supone que la atmósfera pesa o presiona sobre la superficie libre del líquido con una fuerza suficiente para obtener la columna de mercurio a una altura de 0,75 m. O la del agua a una altura catorce veces mayor.

La observación de pequeñas variaciones en la altura del mercurio puso a Torricelli, que era un tipo avispado, sobre la pista de modificaciones metereológicas de la presión de la atmósfera. La idea de que la parte superior del tubo estaba realmente vacía lo llevó a ensayar con pequeños animales a ver que tal se las ingeniaban en este vacío. Pero al volcar el mercurio, los aplastaba inevitablemente. Aún así, los miembros de la Cimento, que era una academia que comenzó a funcionar a mediados del XVII y se dedicaban a realizar experimentos para comprobar lo que habían dicho otros, no tardaron en ingeniar tubos más anchos y cestitas adecuadas para iniciar la agonía colectiva de todo tipo de roedores e insectos, llegando incluso a planear la introducción de un enano en el vacío de Torricelli. Estos señores eran científicos.

Pascal, ese gran showman

El vacío de Torricelli atrajo a los Pascal, padre e hijo, y a otros científicos que hacían experimentos muy curiosos para mostrar el efecto del vacío. Los Pascal repitieron en 1646 los experimentos torricellianos  junto con Petit, y empezaron las interpretaciones y por tanto las disputas. En concreto dos:

  • Si era el peso de la atmósfera la causa real del fenómeno
  • Si estaba realmente vacío el espacio superior del tubo

pascal y descartesLas opiniones os las podeis imaginar. De todo. Los que en su corazoncito seguían siendo aristotélicos pero creían en el vacío a pesar de ello, no podrían tolerar bajo ningún concepto que el aire pesase en el aire. Porque Aristóteles inventó la ciencia…más o menos….pero también la ancló in extremis. Descartes por supuesto negaba rotundamente el vacío. Esto está petao de materia por todas partes, recordad los tres elementos con los que llenaba absolutamente todo en un acoplamiento perfecto entre ellos. Pero en cambio sí aceptaba lo del peso de la atmósfera porque cuadraba muy bien con sus teorías materialistas de vórtices increíbles.

Los que negaban el vacío desde el aristotelismo, suponían que en la parte superior del tubo quedaba una partícula de aire que se dilataba hasta el límite y entonces sostenía como una cuerda el mercurio. Quienes negaban el vacío desde el cartesianismo suponían que la materia sutil o éter penetraba por los hipotéticos poros del vidrio.

Todo ello generó una gran cantidad de experimentos. Uno de los más vistosos lo realizó Pascal en Rouen, porque allí había vidrieros que eran capaces de fabricarle tubos de 14 metros. Pascal era del bando de la interpretación atmosférica, y con sus experimentos quería demostrar que tenía razón. Pero es que había cambiado de opinión, porque Pascal, parsimonioso y riguroso, antes era fan total del horror vacui. Montó un espectáculo en el puerto sobre el Sena ante medio millar de espectadores. Sujetó sus tubos de 14 metros a los mástiles de los barcos, los llenó de agua y vino, explicó la doctrina de los vapores y preguntó a la concurrencia qué líquido quedaría más alto al invertir los tubos. La peña con algo más que un pedete lúcido apostó a que el vino quedaba abajo. Pero al realizar el experimento resultó que no fué así. Pascal explicó que no era por los vapores, sino por el peso específico del agua, que es mayor que el del vino.

Con este tipo de experimentos, Pascal tenía claro que podía interpretar el vacío, pero seguía dudando del peso de la atmósfera. Con lo que siguió apostando por Galileo, no había conseguido probar de manera fehaciente que la causa fuese la atmósfera.

Pascal se tira al monte

La idea era hacer el experimento de Torricelli en el vacío. Una manera de hacer el experimento fuera de la atmósfera era introducir un tubo de Torricelli dentro de otro tubo de Torricelli e invertirlo. Si la causa de la columna de 75 cm de mercurio era la presión, en el vacío su altura en el tubo sobre la cubeta sería nula, que es lo que ocurrió. Pero para asegurarse mejor, lo suyo sería variar gradualmente la causa y observar el efecto.

pascalDescartes le sugirió a Pascal en septiembre de 1647 que tal cosa podría lograrse ascendiendo hacia la superficie de este mar de aire en cuyo fondo vivimos. Un año después Pascal convenció a su cuñado y se fueron al monte. Con un barómetro, por supuesto. Estaba todo pensado. Entre la base y la cumbre, enclaves donde posicionó sendos barómetros, había una diferencia de 85,5 mm de Hg. Más o menos de 1 milímetro cada 10 metros, pero esto lo midieron los de la Cimento 10 años después. Aquí nació la hipsometría barométrica. Este experimento covenció a Pascal de que Torricelli tenía razón y redactó un par de tratados, con los que la pneumática pasó a formar parte de las matemáticas.

Otto von Gericke, Boyle y Hooke

Otto von Gericke era un noble copernicano del XVII preocupado por la interacción magnética entre los astros a través del espacio vacío. Cuando conoce las ideas de Descartes empieza a buscarle aplicaciones útiles, como hacer implotar un barril sacando la cerveza con una bomba de succión. Pero a medida que lo vaciaba, el fluído exterior se filtraba entre las duelas. Entonces construyó una esfera de cobre que implotó debidamente. Las siguió mejorando hasta que consiguió que resistieran la presión y finalmente pudo hacer en 1657 uno de los experimentos más vistosos de esta historia, el experimento magdebúrgico.

magdeburgoSe trata de una enorme esfera compuesta de dos hemisferios con asas y espitas, que encajan perfectamente gracias a unas arandelas. Grosso modo una olla exprés pero en forma de esfera. Se extrae el aire de esta esfera y una vez hecho el vacío, las espitas se cierran. La presión de aire que hay dentro de la esfera es tal que para separarlas es preciso la fuerza bruta de dos tiros de 10 caballos cada uno. El estruendo con el que se separaban los hemisferios estremecía de pavor absoluto a los inexpertos curiosos que habían acudido a la atracción del pueblo. Gentes de Dios.

Boyle, virtuoso cristiano, se inspiró con los experimentos de von Gericke y emprendió un amplio análisis de la elasticidad del aire. Pero era un experimentador compulsivo, como la mayoría de los miembros de la Royal Society por aquellas. Panda de antidogmáticos, empiristas y antiteóricos que experimentaban con frenesí y sin necesidad de construir ninguna teoría, aunque vagamente se dejaban llevar por la idea de que las cosas ocurren mecánicamente.

Como Boyle iba un poco a su bola, sin una teoría de referencia que le guiara los experimentos, tardaba mucho más que Pascal en realizarlos. El estilo de Boyle  dio lugar a una tradición naturalista dedicada a la exploración de la naturaleza para descubrir fenómenos y efectos, sin pretensiones de sistematización deductiva con ayuda de las matemáticas o de explicación. Solís y Selles insinúan que el mejor descubrimiento de Boyle fue Hooke, un joven con una gran intuición física, habilidad mecánica y afición a la geometría. Aquí una de estas injusticias asociadas a la ciencia como institución. Hoy todos conocemos la Ley de Boyle, esa de la presión inversa al volumen, pero debería llamarse de Hooke. Porque fueron sus experimentos los que la establecieron.

Hooke desarrolló una bomba de vacío manejable, pero al final no la usaba porque siempre perdía y resultaba incontrolable. Usaba una masa fija de aire que se expandía y condensaba a voluntad con un peso de mercurio y el de la atmósfera.

De esta manera, el vacío y la máquina pneumática abrieron dos líneas de trabajo, una naturalista que llevaría a importantes trabajos en combustión, química pneumática y fisiología, y otra matemática que llevaría al desarrollo de modelos de fluidos elásticos como el aire. Hooke estableció a partir de esta segunda línea la ley que sí lleva su nombre: ut tensio sic vis, como la extensión, así la fuerza. ¡Qué gran ley!.

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