El ascenso capilar es la elevación de un líquido dentro de un tubo muy estrecho debido a la interacción entre la adhesión del líquido a las paredes y la cohesión entre sus moléculas. Cuando el líquido moja las paredes, forma un menisco cóncavo y asciende por encima del nivel del recipiente; cuando no las moja, forma un menisco convexo y desciende por debajo del nivel hidrostático.
La altura alcanzada depende principalmente de la tensión superficial, la densidad del líquido, el radio del tubo y el ángulo de contacto. Esta relación se expresa mediante la ley de Jurín, según la cual la altura es directamente proporcional a la tensión superficial y al coseno del ángulo de contacto, e inversamente proporcional a la densidad del líquido y al radio del capilar.
Qué es el menisco capilar
El menisco es la superficie curva que adopta un líquido en las proximidades de la pared de un recipiente o de un tubo capilar. La elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido es un fenómeno capilar, por ejemplo, en las paredes de un tubo.
Este fenómeno constituye una excepción a la ley hidrostática de los vasos comunicantes, según la cual una masa de líquido tiene el mismo nivel en todos los puntos. El efecto se produce de forma más marcada en tubos capilares, es decir, tubos de diámetro muy pequeño.
La capilaridad consiste en el ascenso y descenso de líquidos por tubos delgados, como un cabello, conocidos como tubos capilares. Cuando un líquido moja las paredes del tubo capilar, debido a la adhesión, asciende y su superficie libre forma una curvatura llamada menisco cóncavo; cuando el líquido no moja las paredes del tubo capilar, por su gran cohesión, desciende y su superficie libre forma un menisco convexo.
Fuerzas que intervienen en la formación del menisco
En las proximidades de la pared de un recipiente, una molécula del líquido experimenta su peso, la fuerza de cohesión que ejercen sobre ella el resto de las moléculas del líquido y la fuerza de adherencia que ejercen las moléculas de la pared sobre la molécula del líquido.
La fuerza de adhesión o adsorción disminuye rápidamente con la distancia de la superficie sólida. La cohesión entre moléculas de agua resulta en la formación de agrupaciones temporales que están constantemente cambiando de tamaño y forma a medida que moléculas individuales de agua son liberadas o se unen a otras.
Cuando las moléculas están alejadas de la pared, las fuerzas de adherencia son despreciables y la resultante debida al peso y a las fuerzas de cohesión es vertical hacia abajo; por eso, la superficie del líquido es horizontal. Cerca de la pared, en cambio, la fuerza de adherencia puede modificar la dirección de la resultante y curvar la superficie.
La superficie es siempre normal a la resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas. Según sea la intensidad relativa de las fuerzas de cohesión y adherencia, pueden ocurrir dos casos: que el líquido moje la pared o que el líquido no la moje.
Adhesión y mojado
La adhesión es la atracción entre las moléculas del líquido y las moléculas de la superficie sólida. Cuando las fuerzas de adhesión del líquido al sólido superan a las fuerzas de cohesión dentro del líquido, la superficie del líquido será cóncava y el líquido subirá por el tubo, es decir, ascenderá por encima del nivel hidrostático.
Que el líquido moje, por ejemplo, agua en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de adherencia son mucho mayores que las de cohesión.
En los líquidos que mojan, la resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared está dirigida hacia el interior de la pared, por lo que la forma de la superficie del líquido es cóncava.
Cohesión y falta de mojado
La cohesión es la atracción entre las moléculas del propio líquido y está relacionada con la tensión superficial. Si las fuerzas de cohesión superan a las fuerzas de adhesión, la superficie del líquido será convexa y el líquido caerá por debajo del nivel hidrostático.
Que el líquido no moje, por ejemplo, mercurio en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de cohesión son mayores que las de adherencia.
En los líquidos que no mojan, la resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared está dirigida hacia el interior del líquido, por lo que la forma de la superficie del líquido será convexa.
Menisco cóncavo y menisco convexo
| Tipo de menisco | Relación entre fuerzas | Forma de la superficie | Comportamiento en el capilar |
|---|---|---|---|
| Cóncavo | La adhesión supera a la cohesión | La superficie se eleva junto a las paredes | El líquido asciende |
| Convexo | La cohesión supera a la adhesión | La superficie se abomba hacia arriba | El líquido desciende |
El agua en tubos de vidrio limpios es un ejemplo de líquido que moja. El agua en tubos de vidrio grasientos constituye un caso diferente, porque la adhesión es pequeña. El mercurio en tubos de vidrio limpios forma un menisco convexo, ya que la cohesión es grande.
La superficie del líquido será cóncava cuando las fuerzas de adherencia sean mayores que las fuerzas de cohesión, y será convexa cuando las fuerzas de cohesión sean mayores que las fuerzas de adherencia.
Ángulo de contacto
Recibe el nombre de ángulo de contacto el formado por la tangente a la superficie del menisco en el punto de contacto con la pared. Este ángulo es agudo cuando el líquido moja y es obtuso cuando el líquido no moja.
El ángulo de contacto permite relacionar la geometría del menisco con el radio del tubo capilar. La superficie del menisco en el capilar se puede considerar como un casquete esférico de radio R.
La relación entre el radio del capilar r, el radio del menisco R y el ángulo de contacto θ es:
r = R cos θ
Por qué asciende el líquido en un capilar
Si se coloca un capilar verticalmente en un recipiente de líquido que moje, el líquido asciende por el capilar hasta alcanzar determinada altura. Si el líquido no moja, el nivel de líquido en el capilar es menor que en el recipiente.
Debido a la curvatura de una superficie se produce una sobrepresión en su interior. La superficie curva del menisco genera una diferencia de presión dirigida hacia el centro del menisco.
Debido a la curvatura de la superficie habrá una sobrepresión hacia el centro del menisco que, de acuerdo con la ley de Laplace para una superficie de una cara, vale:
Δp = 2γ / R = 2γ cos θ / r
Por efecto de esta sobrepresión, el líquido asciende una altura h. La presión hidrostática asociada a la columna líquida es:
Δp = ρgh
Al igualar la sobrepresión capilar con la presión hidrostática se obtiene la altura de ascenso:
h = 2γ cos θ / ρgr
Ley de Jurín
La expresión h = 2γ cos θ / ρgr se denomina ley de Jurín. La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.
| Magnitud | Influencia sobre la altura capilar |
|---|---|
| Tensión superficial γ | Al aumentar, aumenta la altura |
| Coseno del ángulo de contacto cos θ | Determina el efecto del mojado |
| Densidad ρ | Al aumentar, disminuye la altura |
| Radio del capilar r | Al aumentar, disminuye la altura |
En esta experiencia simulada, se supone que el ángulo de contacto de los líquidos con la pared del capilar es pequeño, de modo que cos θ ≈ 1. En ese caso, la expresión se simplifica a:
h ≈ 2γ / ρgr
La relación muestra que los tubos más estrechos producen una elevación mayor. Por el contrario, al aumentar el radio del tubo, la columna líquida alcanza una altura menor.
Interpretación física de la ley de Jurín
La tensión superficial tiende a mantener unida la superficie del líquido y permite que la curvatura del menisco produzca una diferencia de presión. La densidad determina el peso de la columna que debe ser sostenida por esa diferencia de presión.
El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
Cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como en el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie sea convexa.
Comprobación experimental
Para comprobar la ley de Jurín se puede elegir un líquido entre los disponibles en el control de selección titulado «Líquidos». Después se pulsa el botón titulado «Nuevo».
Pulsando en el botón titulado «Siguiente», se utilizan sucesivamente capilares de los siguientes radios: 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 3.0 mm. Se mide la altura h del líquido en cada uno de los capilares.
Los datos de radio r del capilar y altura h se recogen en el área de texto situada a la izquierda del applet. Cuando se han recogido todos los pares de datos, se pulsa el botón titulado «Gráfica».
Se representan los datos experimentales de la altura h del líquido en el capilar en función de la inversa del radio 1/r del capilar, junto con la recta que pasa por dichos puntos, con lo que se comprueba la ley de Jurín.
Ascenso capilar
Si la ley de Jurín se cumple, la representación de h frente a 1/r produce una relación lineal. A partir de la medida de la pendiente de la recta se puede obtener el valor de la tensión superficial del líquido considerado.
Para obtener la tensión superficial se necesita también el dato de la densidad del líquido seleccionado.
Densidades utilizadas en la experiencia
| Líquido | Densidad (kg/m³) |
|---|---|
| Agua | 1000 |
| Aceite | 900 |
| Alcohol | 790 |
| Glicerina | 1260 |
Ejemplo de cálculo con agua
Eligiendo como líquido el agua, la pendiente de la recta resulta ser 14.897. La densidad del agua es 1000 kg/m³.
Como en la gráfica las alturas h están expresadas en milímetros y las inversas de los radios r en milímetros-1, la pendiente es 14.897 × 10-6 en unidades del Sistema Internacional.
Conocida la pendiente, se calcula la tensión superficial mediante la relación de la ley de Jurín. Para el agua se obtiene:
γ = 0.073 N/m
Capilaridad en el agua y en los suelos
El movimiento ascendente del agua en un tubo capilar representa el fenómeno de capilaridad. Dos fuerzas son responsables de la capilaridad: la atracción del agua por superficies sólidas, denominada adhesión o adsorción, y la tensión superficial del agua, que en gran parte se debe a la atracción entre las moléculas de agua, denominada cohesión.
Las fuerzas de cohesión entre moléculas de agua y de adhesión entre el agua y superficies sólidas en un sistema suelo-agua son, en gran parte, resultado de los puentes de hidrógeno.
La cohesión entre moléculas de agua también hace que la fase sólida restrinja indirectamente la libertad de movimiento del agua hasta determinada distancia, además de la interfaz sólido-líquido.
Altura de ascenso en distintos suelos
En suelos arenosos es común que la ascensión capilar alcance alturas del orden de 30 cm a 50 cm. Sin embargo, en terrenos arcillosos la capilaridad puede alcanzar hasta 80 m de profundidad.
La altura de ascensión capilar máxima es de pocos centímetros para pedregullos, de 1 a 2 metros para arenas, de 3 a 4 metros para el limo y de decenas de metros para las arcillas.
| Tipo de suelo | Altura de ascensión capilar |
|---|---|
| Pedregullos | Pocos centímetros |
| Arenas | 1 a 2 metros |
| Limo | 3 a 4 metros |
| Arcillas | Decenas de metros |
La fórmula empírica de Hazen puede emplearse para una estimación aproximada de la altura de la ascensión capilar.
Importancia de los fenómenos capilares en los suelos
Construcción de pavimentos
En la construcción de pavimentos de carreteras, si el terreno donde se funda un pavimento está constituido por un suelo limoso y el nivel freático está poco profundo, para evitar la ascensión capilar de agua es necesario sustituir el material limoso por otro con menor potencial de capilaridad.
La capilaridad puede transportar agua desde niveles inferiores hacia las capas que sostienen el pavimento. Por eso, las características del suelo y la profundidad del nivel freático son factores relevantes en el comportamiento de la obra.
Contracción de los suelos
Cuando toda la superficie de un suelo está sumergida en agua, no hay fuerza capilar, pues α = 90°. Sin embargo, a medida que el agua va siendo evaporada, se forman meniscos y aparecen fuerzas capilares que aproximan las partículas.
La formación de meniscos modifica la distribución de fuerzas entre los granos del suelo. Al disminuir el contenido de agua, las superficies curvas pueden aumentar la atracción aparente entre partículas y contribuir a la contracción del suelo.
Cohesión aparente de arenas húmedas
Si la arena fuese seca o saturada, la cohesión se deshace. La cohesión aparente aparece cuando existen meniscos entre los granos y desaparece cuando el movimiento entre ellos aumenta o las deformaciones son muy grandes.
Los meniscos se deshacen cuando el movimiento entre los granos aumenta y las deformaciones son muy grandes.
Sifonamiento capilar
El sifón capilar, también denominado sifonamiento capilar, se observa en las presas y consiste en la filtración del agua bajo el núcleo impermeable de la presa.
Ejemplos cotidianos de ascensión capilar
La absorción de agua por una esponja y la ascensión de la cera fundida por el pabilo de una vela son ejemplos familiares de ascensión capilar.
El agua sube por la tierra debido en parte a la capilaridad. Algunos instrumentos de escritura, como la pluma estilográfica o el rotulador, también se basan en este principio.
La capilaridad se presenta en las plantas, ya que la circulación de la savia se realiza a través de sus vasos leñosos. Esta propiedad regula parcialmente el ascenso del agua dentro de las plantas.
Diferencia entre el menisco capilar y el menisco de la rodilla
En física, el término menisco designa la superficie curva de un líquido cerca de una pared, mientras que en anatomía se refiere a una estructura fibrocartilaginosa situada dentro de la articulación de la rodilla. Ambos conceptos son diferentes y no deben confundirse.
Los meniscos de la rodilla se ubican al interior de la articulación, entre el fémur y la tibia. Hay dos tipos: menisco medial, situado en la parte interna de la rodilla, y menisco lateral, situado en la parte externa.
Su función es aumentar la profundidad de la superficie que está en la zona superior de la tibia y trabajar como amortiguador de la rodilla. Además, reparten la fuerza sobre las superficies articulares, lo que protege al cartílago de un posible desgaste.
Lesiones meniscales de la rodilla
La lesión meniscal puede producirse como consecuencia de un traumatismo o por la degeneración de los meniscos. El rugby y el fútbol son deportes en los que habitualmente se presenta esta lesión, aunque también puede producirse en actividades donde la persona gira bruscamente o hace rotar la rodilla con el pie fijo.
Causas según la edad
En personas jóvenes, el menisco es resistente y elástico, por lo que su lesión suele producirse por una torsión o giro comprometedor de la rodilla.
En personas mayores deportistas, el menisco se debilita y su tejido no resiste lo mismo debido a la degeneración. Un traumatismo menor puede ocasionar la lesión.
En personas mayores no deportistas puede existir una lesión meniscal con alteración degenerativa que se produce sin una causa evidente.
Síntomas
El dolor, aunque a veces difuso, es el síntoma más frecuente. Puede haber un bloqueo, es decir, que la persona no sea capaz de flexionar o extender la rodilla por completo cuando el fragmento roto del menisco queda atrapado en el interior de la rodilla.
El derrame también puede presentarse en el momento de la lesión o de forma crónica como signo de inestabilidad.
Diagnóstico
En el examen físico se detectará dolor en la interlínea articular, que es el espacio entre el fémur y la tibia, al realizar algunas maniobras específicas. La resonancia magnética confirmará el diagnóstico.
Tratamiento
Puede indicarse un tratamiento conservador en personas mayores de 50 años con baja actividad o un tratamiento quirúrgico mediante meniscectomía parcial o sutura meniscal.
La indicación de meniscectomía, que consiste en la resección parcial del menisco, o de sutura meniscal se realiza considerando múltiples factores, como la edad, la actividad física, la forma de la rotura y su ubicación.
Cuando la lesión es sintomática y no responde al manejo conservador, está indicada la cirugía, principalmente en pacientes jóvenes activos. Los síntomas mecánicos, como el derrame a repetición y el bloqueo articular, hacen inclinarse rápidamente por el manejo quirúrgico.
Técnica quirúrgica y rehabilitación
La cirugía de menisco es breve y se realiza siempre por vía artroscópica. Luego de dos a tres días comienza la rehabilitación.
Siempre se intenta conservar el menisco mediante suturas artroscópicas, aunque no es posible en todos los casos debido a factores como la edad del paciente y la forma y ubicación de la rotura.
Cuando no es posible realizar una sutura meniscal, se efectúa una resección parcial de la parte dañada del menisco, denominada meniscectomía.
Durante los primeros dos días es importante proteger la rodilla lesionada, guardar reposo, aplicar hielo cada una hora, disminuir la inflamación o edema y mantener elevada la articulación para favorecer el retorno venoso.
El inicio de la kinesiología debe realizarse durante la primera semana postoperatoria. Primero se aplica un tratamiento kinésico que disminuye la inflamación y mejora la movilidad de la rodilla.
Este tratamiento inmediato ayuda a evitar la pérdida de musculatura. El retorno al deporte se realiza entre los dos y cuatro meses, dependiendo de cada paciente y del tipo de cirugía.
Anatomía funcional de los meniscos de la rodilla
Los meniscos se dividen en tres zonas: el cuerno anterior, el cuerpo y el cuerno posterior. Ambos cuernos están anclados a los platillos tibiales por inserciones directas al hueso en sus zonas anterior y posterior, llamadas raíces meniscales.
La base triangular de los meniscos está dirigida hacia la periferia de la rodilla y adherida a la cápsula articular mediante los ligamentos coronarios al margen óseo. La cara que mira hacia la tibia tiene una configuración recta, a diferencia de la que mira hacia el fémur, que es cóncava.
Menisco medial
El menisco medial tiene forma de C, con su porción posterior más larga que la anterior. Su cuerno posterior es el que abarca una mayor área y, en total, cubre un 50% del platillo.
Se une a la cápsula, al borde tibial por los ligamentos coronarios y al ligamento colateral medial profundo. Tiene una excursión durante la flexoextensión de la rodilla de 2 a 5 mm.
Menisco lateral
El menisco lateral tiene una forma más bien semicircular, casi como una O. Cubre una superficie articular tibial mayor y sus anclajes óseos están más cercanos entre sí que los del menisco medial.
La inserción anterior se encuentra adyacente a la inserción tibial del ligamento cruzado anterior. Su cuerno posterior se ancla justo posterior a la eminencia intercondílea y anterior a la inserción del cuerno posterior del menisco medial.
En un 70% de las personas se puede encontrar al menos uno de los dos ligamentos meniscofemorales: el ligamento de Humphry, anterior al ligamento cruzado posterior, y el ligamento de Wrisberg, posterior al ligamento cruzado posterior.
En el cuerno posterior existe el llamado hiato poplíteo, que es un espacio entre el menisco lateral y la cápsula que permite el paso del tendón poplíteo. Esta configuración es menos estable y permite una movilidad de 9 a 11 mm.
Irrigación, inervación y funciones de los meniscos
La irrigación de los meniscos cambia desde el periodo embrionario hasta la edad adulta. Inicialmente están completamente vascularizados; luego se pierde la vascularización de la zona más interna y queda irrigada únicamente la zona periférica.
La zona irrigada comprende el 10-30% del menisco medial y el 15-25% del menisco lateral. La irrigación proviene de plexos capilares perimeniscales procedentes de las arterias geniculares medial y lateral.
La nutrición de las zonas avasculares se realiza por difusión de nutrientes desde el líquido articular, favorecida por el bombeo mecánico provocado por la compresión axial.
Esta disposición de la irrigación determina tres zonas meniscales desde la cápsula hasta el borde libre, ordenadas de mayor a menor irrigación: roja-roja, roja-blanca y blanca-blanca.
La inervación es escasa en el borde libre de los meniscos. Las fibras mielínicas y amielínicas se encuentran principalmente en la periferia y en los tejidos circundantes.
También se encuentran mecanorreceptores en los cuernos anterior y posterior, que tendrían funciones de propiocepción en rangos extremos de movimiento.
| Función del menisco | Descripción |
|---|---|
| Aumento del área de contacto | Mejora la congruencia articular |
| Absorción de impacto | Reduce la transmisión directa de cargas |
| Estabilidad pasiva | Contribuye a controlar el movimiento articular |
| Transferencia de cargas | Distribuye las fuerzas entre el fémur y la tibia |
| Propiocepción | Participa en la percepción de la posición articular |
| Nutrición | Favorece el intercambio de nutrientes en el entorno articular |
Los meniscos tienen un papel importante en la carga y la absorción de impactos. En extensión, el menisco medial transmite el 50% de la carga y el lateral el 70%; en flexión, el medial transmite el 85% y el lateral el 90%.
Después de una meniscectomía, por el menisco medial puede pasar el 100% de la carga y por el lateral la carga puede aumentar de 200 a 350%.