EXPERIMENTOS
El empuje de Arquímedes
MATERIALES: una varilla de madera, hilo de barrilete,
un vaso de plástico, una piedra, una fuente profunda con agua, un recipiente de
cocina para medir líquidos.
PROCEDIMIENTO:
En realidad no es que la piedra sumergida pese menos.
Pesa exactamente lo mismo que fuera del agua, lo que sucede es que el agua
ejerce sobre la piedra una fuerza hacia arriba que se denomina
empuje. Esta fuerza, que "tira" de la piedra para arriba hace
que la balanza sumergida marque menos. Con esta experiencia comprobaremos la
existencia del empuje y lo mediremos. Pero para eso tenemos que construir
primeramente una balanza.
| Toma la varilla de madera. Encontrá
su punto medio y ata un trozo de hilo de barrilete. En un extremo ata un
hilo del que cuelgue la piedra. Del otro extremo ata un trozo de hilo del
que cuelgue el vaso plástico.
Ahora ata el hilo del medio de algun punto
alto. El peso de la piedra hace que la varilla quede vertical y el extremo
del vaso mas alto. A medida que agregues agua al vaso la varilla se irá
inclinando hasta llegar a la posición horizontal. Cuando llegues a este
punto de equilibrio el peso de la piedra es igual al peso del vaso con
agua. Si ponés mas agua la varilla se inclinará indicando que el peso del
vaso con agua es mayor que el de la piedra. En ese caso, extrae el agua
excedente con la ayuda de un sorbete o cuentagotas hasta reestablecer el
equilibrio (ver figura superior).
Ahora con cuidado sumerge la piedra en una
fuente con agua sin que toque el fondo. La varilla de la balanza se
inclinará indicando que el vaso con agua pesa mas que la piedra! (ver
figura inferior). Ya dijimos que la responsable de este efecto es la
fuerza de empuje del agua de la fuente sobre la piedra.
Para tener una idea de cuan grande es esta
fuerza, hacemos lo siguiente: con el gotero extraemos cuidadosamente agua
del vaso y la volcamos en otro vaso o alguno de esos recipientes para
medir líquidos que suele haber en la cocina. Seguimos extrayendo hasta que
nuestra balanza indique que el peso del vaso con agua es igual al de la
piedra sumergida. Es importante que en todo el experimento la piedra esta
totalmente sumergida y que no toque el fondo.
Bueno, el agua extraida del vaso tiene un
cierto peso , ese peso es exactamente igual a la fuerza de empuje que
buscábamos. Mas aún, si el recipiente nos permite medir el volumen de agua
entonces ese volumen es exactamente igual al volumen de la piedra. Mas o
menos esto es lo que descubrió Arquímedes. |
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Gotas muy bien
organizadas
MATERIALES: una placa de vidrio o acrílico
transparente de 20 x20 cm (o más), una bandeja de menos de 20 cm de lado y
algunos centímetros de profundidad, agua, aceite, gelatina, cualquier liquido
que encuentres en la cocina, un nivel de albañileria (opcional)
PROCEDIMIENTO: Vamos a estudiar como se forman las
gotas y como se organizan siguiendo un patrón muy regular mediante un
experimento muy pero muy sencillo.
- Coloca la placa de vidrio o acrílico sobre
la bandeja. Si tienes un nivel de albañil utilízalo para verificar que la
placa este bien horizontal. El resultado del experimento depende mucho
de este factor.
- Disuelve algunas cucharadas de gelatina
coloreada en agua caliente y deja enfriar un rato hasta que el líquido
adquiera cierta "viscosidad". Es importante disolver todos los grumos y
que el líquido presente un aspecto límpido y transparente.
- Volca dos o tres cucharadas del preparado
sobre la placa de vidrio. Usa la misma cuchara para "desparramar" el
líquido y formar una capa circular de 15cm de diámetro. No tienen que
quedar agujeros en la capa. Espera 10 minutos a que el espesor de la
capa se homogeneice.
- Ahora gira la placa de modo que la capa de
líquido quede "mirando" para abajo y apóyala sobre la bandeja. Es
conveniente verificar previamente que cuando das vuelta la placa también
quede nivelada.
- Lentamente, se van a formar gotas de
gelatina líquida.
- Vas a observar que las gotas "evolucionan":
algunas crecen y finalmente caen, otras se mueven y se acercan entre si,
es posible que dos o mas gotas colapsen, es decir se junten y formen una
gota mas grande que debido al peso se termina cayendo.
- Si la superficie esta muy bien nivelada, es
posible que en algunos lugares de la placa las gotas se "organizan"
formando cuadrados o hexágonos.
- Si esperas un rato, la gelatina se
solidifica por lo que el dibujo de gotas va a quedar "congelado". Si en
tu casa tienes un scanner podes utilizarlo para obtener imágenes de tus
gotas como hice yo (fotos de la derecha)
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Para la foto de arriba se
usaron
dos cucharadas de gelatina líquida,
la placa esta
levemente
desnivelada.
Para la foto inferior se usaron
tres
cucharadas y la solidificación
se "aceleró" colocando una bolsa
plastica con hielo sobre la placa
de
vidrio. |
- Puedes ensayar con líquidos diferentes, una buena
opción es utilizar aceite de cocina. El procedimiento es similar, el secreto
es que la capa sea muy fina y cubra uniformemente la superficie de la placa.
Porque se forman gotas?:
Inestabilidad de Rayleigh-Taylor o Inestabilidad gravitatoria
 |
Supongamos que ya hemos dado vuelta
nuestra placa de vidrio con el fluido y que por alguna razón la superficie
del fluido se deforma convándose levemente como indica la figura superior.
Estamos viendo solo una pequeña porción de la placa. El líquido comenzará
a fluir hacia esa región como indican las flechas azules. Debido a esto,
el volumen de la "panza" de líquido crece y debido al peso, la curvatura
aumenta como muestra la figura del medio.
Ahora bien, al mismo tiempo que esto ocurre, la
superficie del fluido se "estira" como si fuera una malla que contiene al
fluido y evita que se caiga .
Las flechas rojas indican el sentido de la fuerza que realiza esta malla.
Usualmente se denomina a esta fuerza tensión interfacial.
Como se desprende del esquema, pareceria que la malla "desea" estar lo mas
plana posible. |
Hay por lo tanto, dos efectos que compiten: por un
lado la gravedad tira del fluido hacia abajo y tiende a aumentar el volumen de
la gota, este efecto es desestabilizante, por el otro lado, la
tensión interfacial contiene al fluido y evita que caiga, por lo tanto su efecto
es estabilizante.
Si la capa de fluido sobre el vidrio es
suficientemente gruesa, el flujo hacia la gota (representado por las flechas
azules) continua y la gota crece tanto que la tensión interfacial no la puede
contener más. En ese caso una gota se desprende y cae. Ganó el efecto
desestabilizante.
Pero si la capa de fluido es suficientemente fina el
flujo hacia la gota se detiene cuando se alcanza un equilibrio entre el peso de
la gota y la tensión interfacial. El flujo hacia la gota se detiene porque la
capa no tiene suficiente fluido y los bordes de la gota están muy delgados como
para permitir que el flujo continue. Ganó el efecto estabilizante, esto último
es lo que vemos en la figura inferior.
La tela de
agua
La superficie del agua es como una tela muy
resistente y flexible. Ya hemos visto en esta misma página otros experimentos en
donde esta propiedad del agua es puesta en evidencia. Vimos que la "tela de
agua" es capaz de evitar que se derrame el agua sobre una moneda o de impedir que se
caiga la gota que cuelga sobre un techo o una canilla. A este propiedad se
la denomina tensión interfacial.
Es posible modificar la tensión interfacial del agua
agregándole un poco de detergente. Veamos que efectos produce esta modificación
en una experiencia muy sencilla.
MATERIALES: un plato hondo, agua, detergente, un
gotero (opcional).
PROCEDIMIENTO:
- Vierte agua en el plato hondo.
- Con un gotero deja caer en el centro del plato con
agua unas diez o quince gotas de aceite (ver figura de la izquierda). Espera
unos instantes a que la gota se desparrame y se quede mas o menos quieta. Si puedes
trata de medir el radio de la gota de aceite.
- Ahora agrega al agua una pizca de detergente, con
una gotita va a estar bien.
- Vas a observar que la gota de aceite se achica
como muestra la figura de la derecha.
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Gota de aceite en plato con agua.
El agua
está coloreada para mejor
visualización |
Disminución de la gota de aceite
luego de
agregar una gotita
de
detergente |
Que sucedió:
De acuerdo a lo que dijimos al principio la
superficie del agua se comporta como una tela flexible. Esta tela "estira" a la
gota de aceite tanto como puede. Pero hete aqui que la gota de aceite se
"resiste" a ser estirada y "tira" hacia adentro tratando de mantenerse
"chiquita", tanto como le es posible. Al final se llega a una situación de
equilibrio entre estas dos tendencias representada en la figura de la izquierda.
El detergente tiene la propiedad de disminuir la
tensión interfacial del agua, es decir, cuando agregamos detergente la tela se
debilita y ya no puede estirar tanto como al principio. Ahora bien, la gota de
aceite sigue tirando hacia adentro igual que antes por que el detergente no le
hace nada y por lo tanto en esta condición puede achicarse un poco, como se
representa en la figura de la derecha.
Que pasará si invertimos el experimento? Pon aceite
en el plato y agrega unas gotas de agua. Ahora agrega una pizca de detergente en
la gota de agua y observa que pasa. Se agranda o se achica?
Anillos de
humo
Materiales: uno o dos potes plásticos de yogurt,
plastilina, sahumerio.
Procedimiento:
- Necesitas un pote vacío de yogurt,
preferentemente los que tienen tapa de plástico (ver figura).
- Practica un orificio de un centímetro de
diámetro en la tapa transparente.
- Adhiere un trozo de plastilina en el fondo
del pote plástico. Ese va a ser nuestro porta-sahumerio.
- Coloca en el portasahumerio, un trozo de
sahumerio de unos 10 cm de longitud.
- Enciende el sahumerio y ponele al pote la
tapa transparente. Espera unos instantes a que se junte un poco de humo
en el recinto. Ya tienes tu generador de anillos de humo.
- Toma el generador de anillos como si fuera
un vaso y apretalo levemente, eso hara que el aire en el interior salga
despedido a gran velocidad generando un anillo. Podras ver facilmente
este anillo puesto que el aire interior esta mezclado con el humo del
sahumerio.
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Las figuras que siguen son algunos anillos de humo
obtenidos con el generador de la foto. Se ven mucho mejor si los iluminas con
una luz potente.
Es importante que no haya corrientes de aire, puesto
que estas estructuras son muy frágiles y cualquier perturbación las destruye.
Con buena iluminación hasta es posible "ver" la
estructura interna de un anillo y comprobar que el flujo en su interior se
organiza en capas. En otra sección de esta página podes ver una foto de la
estructura interna del anillo tomada en un laboratorio, también un video que
muestra el choque de dos anillos
También es interesante estudiar la longitud rectilínea
que un anillo puede avanzar hasta que comienza a "desarmarse". Vas a
comprobar que los anillos avanzan una longitud mayor cuanto mas fuerte apretás
el pote.
Se te ocurre que aplicación práctica puede tener este
dispositivo?
Agua en la
moneda
MATERIALES: un gotero, moneda, agua, detergente,
algún otro
líquido (alcohol, champú, etc)
PROCEDIMIENTO:
- Carga agua limpia en el gotero. Descárgalo gota a gota
sobre la moneda, despacito hasta que rebalse.
- Cuenta el número máximo de gotas que pudiste poner hasta
que se derramó.
La cantidad de gotas que se pueden poner sobre una moneda
depende de varios factores: primero y principal depende del tamaño de las gotas.
También depende de la limpieza de la moneda. Repetí el experimento pero antes
limpia bien la superficie de la moneda. Seguramente el número de gotas que puedes
poner cambia bastante.
¿Porqué el agua no se derrama y forma esa "cúpula" de agua
sobre la moneda (ver figuras)? Por una propiedad que se llama tensión
superficial. Debido a esta, la superficie del agua se comporta como una
especie de "tejido" impermeable que contiene al líquido en su interior evitando
que se derrame. Este "tejido" tiene una cierta resistencia (la tensión
superficial). Cuando hay poco agua sobre la moneda el tejido resiste, pero
cuando se la carga demasiado se rompe.
Prueba de agregar al agua del gotero un poco de detergente y
repetí el experimento. Vas a comprobar que la "cúpula" de líquido sobre la
moneda es mucho más chata, no tan voluminosa como la de agua pura. Sucede que al
agregar detergente el "tejido" se hizo menos resistente y se rompe con mucho
menos agua.
Repite el mismo experimento con otros liquidos: aceite,
alcohol, champu, etc.
La hoja de papel
A4
MATERIALES: varias hojas de papel, de impresora, de diario,
de envolver regalos, etc.
PROCEDIMIENTO:
La idea detrás de este experimento es muy simple. Quizás por
eso me fascina desde que era chico: la duplicación. El objetivo de este
experimento es estudiar cuantas veces se puede doblar en dos una hoja de papel.
- Toma una hoja de papel (no necesariamente A4) y
dóblala prolijamente por la mitad: va a quedar un rectángulo. Luego fíjate
cual es el
lado más largo de ese rectángulo y dobla nuevamente por ahí.
- Repite esta operación todas las veces que puedas sin
romper el papel. Prohibido usar una prensa hidráulica.
El experimento es muy simple y quizás por eso se tiende a
pensar que el papel se puede plegar muchas veces. Alguien que no había hecho el
experimento llegó a contestar que "mas de 100 veces". Se sorprendió mucho al
comprobar que no se puede llegar mas que a 8 o 9 dobleces. Y esto con mucha
dificultad!
Sucede que al doblar el papel también estamos duplicando el
espesor del mismo, y con ello las dificultades para seguir plegándolo.
Luego
del primer plegado el e espesor es....el doble, esto es:
E=2e . En esta fórmula E es
el espesor de la hoja doblada y e el espesor de la hoja
original.
En el segundo plegado el espesor total será de
E´= 2E, y por la formula anterior E´
= 4e o bien E´ =
2*2e.
Mirando fijamente la última oración podemos inferir que, por
ejemplo, en el plegado número 8 el espesor total será de E´=
2*2*2*2*2*2*2*2*e . Haciendo la cuenta de multiplicar
comprobamos que en sólo 8 dobleces el espesor total aumentó .....256 veces!!!!!
Este asunto de la duplicación tambien se puede trasladar a
otros ámbitos. Por ejemplo, si quisieramos saber cuántos parientes teniamos en
un pasado remoto.
Empezamos la cuenta por nuestros padres: 2 (como
máximo).
Seguimos por nuestros abuelos (segunda generacion): en total 4 (o
bien 2*2).
Luetgo los bisabuelos, es decir generación 3: 8 (o bien
2*2*2).
Tatarabuelos (generación 4): 16 (o bien 2*2*2*2).
A partir de esto
pocos ejemplos es fácil ver que en la 20-ava generación teniamos un total
de........1.048.576 parientes!!
Y si seguimos para atrás en el tiempo la
cantidad de parientes sigue aumentando!!
La cuenta que realizamos,
perfectamente correcta, parece sugerir que en el pasado remoto había mucha mas
gente de la que hay ahora, y todos parientes, es posible esto???
Un tornado en una
botella
MATERIALES: una botella de plastico transparente con
tapa, agua
PROCEDIMIENTO:
- Haz un orificio en la tapa de la botella de
alrededor de 5 o 6 mm de diámetro. Si tienes varias tapas, mejor,
haciendo orificios de distinto diámetro podrás experimentar los efectos
de este parámetro sobre el torbellino.
- Llena parcialmente de agua la botella.
Ajusta la tapa.
- Da vuelta la botella poniendo un dedo sobre
la tapa para que no se vuelque el agua.
- Mueve la botella de manera de imprimirle al
agua un movimiento de giro. Saca el dedo y deja que salga el agua. Vas a
ver como enseguida se forma un remolino. Como el de la foto.
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Con este sencillo experimento se pueden estudiar varios
fenómenos, por ejemplo cual es la influencia del giro inicial. Por ejemplo, puedes experimentar dándole al agua en la botella distintas intensidades de giro
inicial y estudiar cuando se forma el torbellino.
Con las tapas que preparaste podes estudiar cual es la
influencia del tamaño del orificio.
Un experimento muy interesante consiste en comparar cuanto
tarda en salir toda el agua si en la experiencia se forma un torbellino y
compararlo con el tiempo que tarda cuando el torbellino no se forma (tendrías
que comprobar que cuando hay torbellino la botella se desagota más rápido que
cuando no esta, tienes idea del porque?).
