El experimento de Torricelli

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En el campo de la física, existen conceptos de vital importancia, y entre ellos destaca la presión. Su descubrimiento representó un momento trascendental que no solo amplió nuestro entendimiento del entorno, sino que también profundizó en nuestra conexión con el planeta que habitamos. En el año 1643, en respuesta a la creciente demanda de suministrar agua a las ciudades, Evangelista Torricelli, un físico matemático italiano que estudio con  Galileo Galilei los fenómenos hidráulicos, llevó a cabo un experimento de importancia monumental.

Este experimento no solo abordó la necesidad práctica de abastecer agua, sino que también se erigió como un hito científico al brindar la primera medición precisa de la atmósfera terrestre. Además, la invención del barómetro de mercurio, como resultado de este experimento, se destacó como una innovación ingeniosa que se convirtió en la herramienta fundamental para medir la presión atmosférica. Así, el barómetro no solo proporcionó un medio práctico para abordar desafíos concretos, sino que también se convirtió en un instrumento esencial para comprender el  comportamiento de los gases y consolidar nuestro conocimiento sobre la física atmosférica.

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El experimento de Torricelli consistió en introducir mercurio en el interior de un tubo de 1 metro de longitud, abierto por un extremo y cerrado por el otro. Luego de llenar completamente el tubo, Torricelli lo invirtió y lo volcó en un recipiente que también contenía mercurio. Observó que la columna de mercurio descendía y se detenía a aproximadamente 76 cm de altura, generando un vacío en el espacio libre del tubo.[pic 33]

Torricelli reprodujo el experimento utilizando diversos tubos y, de manera ingeniosa, introdujo una pequeña variante al agregar agua a la cubeta. Debido a la menor densidad del agua en comparación con el mercurio, esta flotaba sobre el mercurio en la cubeta. A continuación, elevó gradualmente el tubo que contenía mercurio hasta la superficie del agua. El resultado fue un descenso del mercurio en el tubo mientras el agua ascendía. Sin embargo, es importante señalar que el vacío logrado no era perfecto, ya que siempre quedaban restos de vapor de mercurio o de agua.

En principio, al invertir el tubo boca abajo, se esperaría que todo el líquido se vertiera en el recipiente más grande. Sin embargo, de manera sorprendente, el tubo no se vació por completo; en cambio, la columna de mercurio descendió solo unos centímetros. La altura final de la columna de mercurio fue de 0,76 metros, o equivalente a 760 milímetros. Este fenómeno se atribuye a la presión atmosférica, es decir, a la fuerza que ejerce la atmósfera sobre la superficie terrestre.[pic 34]

La atmósfera, compuesta principalmente de nitrógeno y oxígeno, junto con trazas de gases como argón, dióxido de carbono, hidrógeno, metano, monóxido de carbono, vapor de agua y ozono, crea una presión constante. En este contexto, la presión atmosférica que actúa sobre la superficie del mercurio resulta ser mayor que la presión que el mercurio ejerce hacia el aire. Como consecuencia, el mercurio en contacto con el aire no puede ascender más. Esta condición de equilibrio impide que la columna de mercurio en el interior del tubo descienda aún más.

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Posteriormente, Blaise Pascal replicó exactamente el mismo experimento, pero lo llevó a cabo a diferentes alturas en una montaña. Descubrió que los resultados del experimento de Torricelli variaban en función de la altitud. Esto indica que la presión atmosférica está directamente relacionada con la altitud: a mayor altitud, la presión ejercida por el aire es menor. Este hallazgo fundamental contribuyó a la comprensión de cómo la presión atmosférica varía en diferentes niveles altitudinales.

Las conclusiones derivadas del experimento de Torricelli son las siguientes:

• Demostración de la existencia de la presión atmosférica: Este experimento confirmó de manera concluyente que el aire ejerce una presión sobre todos los cuerpos, incluso si esta es mínima. Torricelli proporcionó una evidencia tangible de la presión atmosférica, un fenómeno invisible pero omnipresente en nuestro entorno.
• Determinación del valor de la presión atmosférica: La medición resultante del experimento llevó a la conclusión de que la presión atmosférica estándar es de 760 mmHg, aproximadamente equivalente a 101325 Pascales. Esta cifra se convirtió en un estándar fundamental para la medición de la presión atmosférica y su comprensión.
• Establecimiento de una nueva medida de presión: el milímetro de mercurio: A partir de los resultados del experimento, Torricelli introdujo una nueva unidad de medida para la presión atmosférica: el milímetro de mercurio. Un milímetro de mercurio se definió como equivalente a 133,322 Pascales, proporcionando una herramienta práctica y precisa para futuras mediciones de presión.

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El barómetro de mercurio, derivado de los principios establecidos por Torricelli, se convirtió en un instrumento esencial para la medición precisa de la presión atmosférica. La columna de mercurio en el tubo proporciona una representación visual de la presión, utilizada a lo largo de los siglos para prever cambios climáticos y realizar mediciones precisas en diversas disciplinas científicas.[pic 37]

La invención del barómetro de mercurio marcó el comienzo de la predicción meteorológica y contribuyó significativamente a la comprensión profunda de la atmósfera terrestre. Torricelli, al observar las variaciones diarias en el nivel del mercurio, identificó una correlación con cambios en la presión atmosférica. Aunque estas variaciones diarias pueden pasar desapercibidas frente a eventos climáticos más notorios, desempeñan un papel crucial en la dinámica atmosférica. La presión  atmosférica, siendo un factor determinante en la formación del clima, influye en los patrones de viento, afectando así la cantidad de lluvia, la temperatura y la humedad relativa. Este fenómeno se vincula con la expansión del aire durante el calentamiento del suelo, provocando ascensos que resultan en una disminución de la presión.

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