De globos y la relación entre presión y volumen

Una nueva entrada más con los trabajos de los alumno, esta vez corresponde al último trabajo voluntario de los de 4ºA del curso 2015-2016. El desafío consistía en buscar si existía una relación entre el diámetro de un globo (una medida indirecta del volumen del gas que lo rellena) y la presión a la que dicho gas se encontraba en el interior del globo. Para poder determinar esta última magnitud, fue necesario que los alumnos construyesen un manómetro casero, que les permitiera determinar la altura de agua a la que se elevaba una columna de este líquido, al ponerlo en contacto con el aparato.

Presentamos dos trabajos, como en ocasiones anteriores, en las que vemos el proceso de construcción del manómetro, así como algunas medidas y los valores obtenidos. Se observa también alguna gráfica en la que se representan los datos experimentales recogidos. Hay un fenómeno curioso que llama la atención, y es el aumento de presión anómalo que se produce al reducirse el diámetro del globo. Probablemente tenga que ver con el carácter elástico de las paredes del globo.

Como en otras ocasiones, esperamos que disfrutéis de los vídeos. El primero corresponde al trabajo presentado por María José, Ana y Sandra.

El segundo corresponde al trabajo de los dos Pedros, Francisco y Marcos. Añaden escenas falsas de algunos problemas que tuvieron que solventar durante la realización de la experiencia. Que los disfrutéis.

¿Flota o no flota?

Volvemos a mostrar un nuevo trabajo de los alumnos, en este caso corresponde a los de 4º ESO que indagaron sobre las bebidas carbonatadas, azucaradas y light, y su comportamiento a la luz del principio de Arquímedes (recordar nuestra entrada sobre dicho principio y su veracidad histórica)

En primer lugar aparece el vídeo del trabajo de Irene, María, Paula, Isabel y Clara. Como podéis ver diseñaron un artilugio que les permitía medir el agua desplazada al sumergir una lata de una bebida carbonatada. Con los datos de la masa de la lata y la masa de agua desplazada, intentaron encontrar un patrón que les permitiera agrupar las bebidas en las que se hundían completamente o las que flotaban, y si este diferente comportamiento tenía que ver con el tipo de contenido de cada lata.

En segundo lugar os mostramos el trabajo realizado por Aitana, Andrea, Elia y Paula, las mismas que nos sorprendieron con su vídeo sobre la ley del enfriamiento de Newton. En esta ocasión vuelven a incidir en los aspectos artísticos del vídeo y desatienden las cuestiones científicas. A pesar de ello, y de la necesidad de enviar un vídeo en baja resolución, merece la pena echar un vistazo a su trabajo.

Caída libre

La imagen muestra las ecuaciones y el resultado de la entrada anterior:

Para esta nueva entrada, te invitamos primero a que observes el vídeo de la BBC 2 presentado por Brian Cox. Reproduce un experimento mental realizado por Galileo (otra vez nuestro protagonista), según el cuál una pluma y un objeto macizo caerían al mismo ritmo en ausencia de aire. Galileo no pudo comprobar nunca a falta de bombas de vacío, y se contentó con dejarlo indicado en sus experimentos sobre planos inclinados. La experiencia que nos muestra Brian Cox está realizada en el centro que la NASA tiene en Ohio, el cual fue construido en los años 60 con el objetivo de reproducir las condiciones con la que los primeros vuelos espaciales se iban a encontrar. La enorme cámara es capaz de obtener un vacío prácticamente perfecto. Disfruta de los más de 5 minutos de vídeo y después hablamos del problema

Eppur si muove!

Encabezamos esta nueva entrada con la frase que Beltrolt Brecht puso en boca de Galileo en su famosa obra de teatro "La vida de Galileo". El autor señala que cuando Galileo Galilei debió abjurar de sus ideas copernicanas (el Sol ocupa el centro del sistema solar y todos los planetas, incluida la Tierra, giran alrededor de él) ante el tribunal de la Inquisición, añadió en voz baja: "y sin embargo se mueve", refiriéndose a nuestro planeta. Si te apetece ver la versión subtitulada de la obra de Brecht aquí puedes hacerlo.

Gases

Los resultados del anterior problema: a) F(T) = 1,47.10^5 N y F(T) = 5,88.10^5 N; b) F(T) = 3,08.10^5 N y F(T) = 4,62.10^5 N; c) F(g) = 1,47.10^5 N; F(T) = 80,0.10^3 N; F(E) = 6,31.10^4 N y F(N) = 3,90.10^3 N

Más fuerzas

Los resultados del problema anterior son:  K = 1,56.10^8 N/m; F = 1,87.10^7 N, en la dirección paralela a los ejes de los topes y en cualquiera de los dos sentidos, ya que el enunciado sólo dice deformar (no si se encoje o si se alarga)

De muelles y fuerzas

Tal y como lo han demandado los alumnos de 4º, comenzamos una serie de problemas de fuerzas y presiones que les permita preparar el próximo examen. En esta ocasión el asunto va de fuerzas y de muelles, a través del concepto de fuerza elástica.

Topes final de vía de la estación de FranÇa (Barcelona)

Ley del enfriamiento de Newton

A continuación os muestro el trabajo de Paula Gutiérrez Siliceo, Elia González González y las hermanas Andrea y Aitana Celis Eguren.

Unas breves palabras para poner en contexto el vídeo. Reté a mis alumnos de 4º de E.S.O. a comprobar cual de las dos estrategias siguientes es más útil para que un café servido muy caliente se enfríe: a) esperar a que descienda su temperatura unos grados, sorber un poco del café aún caliente y pedir al camarero que nos añadiese la misma cantidad de leche fría que hemos retirado, esperando a continuación hasta alcanzar la temperatura adecuada; b) sorber una pequeña cantidad de café (¡aún a riesgo de quemarnos!), pedir al camarero que restituya la cantidad bebida con leche fría y esperar a que alcance la temperatura deseada.

Para presentar el resultado les pedí que me mostrasen el resultado de su investigación en forme de vídeo, con la condición de que éste no pasase de un minuto. Aquí os muestro el resultado final de estas cuatro alumnas, que si bien no han acertado del todo con el diseño experimental y la presentación de resultados, creo que la calidad de la presentación merece la pena ser expuesta. Agradezco a las cuatro que me hayan concedido su permiso para reproducir el vídeo en este blog. ¡Que lo disfrutéis!

¿Qué es realmente la gravedad?

Hemos visto en clase de 4º la existencia de una fuerza denominada gravitatoria, causante entre otras cosas que nos mantengamos pegados a la superficie de nuestro planeta. Pero para entender realmente la naturaleza de esta fuerza, debemos acudir a la teoría general de la relatividad, enunciada por Einstein en 1915 (previa a ella enunció la teoría especial de la relatividad, que explicaba las leyes del movimiento desde un prisma completamente nuevo)

Los vídeos que aportamos a esta página tratan de aclarar que es la gravedad (¡vídeo que no pudimos ver en clase por cuestiones obvias, lo cual no deja de ser grave!), y algunos errores que se continúan explicando en colegios e institutos. Así no podréis decir que vuestro profesor de 4º os engañó

Altavoces

Los resultados del problema planteado en la entrada anterior son: a) c (flint) = 1,74.10^8 m/s; c (crown) = 1,99.10^8 m/s; b) lambda (flint) = 232 nm; lambda (crown) = 265 nm; c) r' = 8,7º ; d) r'' = 9,9º ; e) r''' = 15º.
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Los altavoces son una parte muy importante de un buen equipo de sonido, sea para escuchar música o para ver películas en casa. Su funcionamiento está basado en fenómenos electromagnéticos que no estudiaremos este curso, pero de los que os podéis haceros una idea gracias al vídeo que os mostramos a continuación.

Dado que el funcionamiento de un altavoz se produce con corriente eléctrica alterna, tal y como habrás podido comprobar en el vídeo, a la hora de comprar un buen altavoz es necesario conocer alguna de sus características como la impedancia, la potencia eléctrica, la banda de frecuencias que cubre o la potencia acústica. Este último término está relacionado con el de la potencia eléctrica a través de la eficiencia, que mide que porcentaje de la potencia eléctrica que recibe el altavoz se transforma en potencia acústica en el mismo.

Aberración cromática

Este fenómeno se produce en algunas lentes, y se debe a que éstas no enfocan diferentes colores en el mismo foco exactamente. Esto es debido a que la longitud de onda depende de la refracción; mientras que la luz de longitud de onda más corta (la luz azul) tiene un índice de refracción mayor, la de longitud de onda más larga, lo tiene menor. El vídeo muestra el fenómeno; observa como el foco de cada color se encuentra en puntos diferentes.

Mezclas

En esta ocasión se trata de un sencillo problema de mezclas de agua a diferente temperatura para obtener una de una temperatura dada. Imaginemos que deseamos darnos un baño en una bañera cuya capacidad permite introducir 100 kg de agua, y que consideramos que el agua está en su punto cuando la temperatura de la misma es de 40,0 ºC

Disponemos de todo el agua que deseemos a dos temperaturas: 12,0 ºC y 55,0 ºC. Las cuestiones que se nos ocurren son: a) ¿qué masa de cada uno de los dos tipos de agua necesitamos para preparar nuestro baño?; b) si el baño donde tenemos las bañera está a una temperatura constante de 22,0 ºC, ¿a qué temperatura terminará la bañera y el agua que la contiene?; c) ¿podemos saber el tiempo que se necesitará para ello?; ¿qué datos necesitas conocer?

Calderas y agua corriente sanitaria (ACS)

Los resultados del problema de la vitrocerámica son: 0,488 (o un 48,8%) de eficacia energética o rendimiento para suministro directo de energía, y un 0,686 (o un 68,6%) de eficacia energética si tomamos en cuenta el calor residual. Abundando en el tema de las vitrocerámicas, en el portal de Educaplus hemos encontrado una simulación de la transmisión de calor por conducción en el caso de una vitrocerámica, una cazuela y el mango de madera de la misma. Muestra como con el paso del tiempo se va modificando la temperatura de todos los sistemas, al modificarse la energía cinética media de las partículas que los constituyen. Dejamos aquí el vínculo para que le echéis un vistazo: http://www.educaplus.org/play-324-Transmisi%C3%B3n-del-calor-por-conducci%C3%B3n.html

De vitrocerámicas y otros utensilios del hogar

Buceando por la red, hemos encontrado un estudio curioso sobre el uso de las vitrocerámicas convencionales y de indución. En éste nos informaban del modo de uso más eficiente, para lo cual el autor realizó un pequeño estudio. En una olla cerrada introdujo 2,00 kg de agua. La potencia de la "vitro convencional" era de 900 W, y mantuvo funcionando la misma durante seis minutos y 40 segundos. Observó que tras este tiempo de funcionamiento, el agua aumentó su temperatura en 21,0 ºC. Tras apagar la "vitro convencional" observó que con el "calor residual" (a causa del paulatino enfriamiento de la placa), el agua aumentó otros 8,50 ºC adicionales tras otros ocho minutos en contacto con ella. Con estos datos, el autor intentó obtener la eficiencia de su "vitro", con y sin calor residual. La eficiencia sería el rendimiento energético de la "vitro", es decir, el cociente entre la energía que se aprovecha para aumentar la temperatura y la realmente suministrada. ¿Puedes ayudar al autor con el cálculo? ¿Qué datos crees que te faltan para que el estudio fuese más completo?. ¡Buena suerte!

Sobre transferencias de energía (y IV)

Los resultados del problema anterior son: a) 956 J; b) 1,03 m; c) 870 J; d) 5,17 m/s; e) 1,37 m. Salvo en su transferencia con el suelo, el resto del problema puede considerarse al saltador como un sistema aislado.
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Elevarse en globo aerostático es una experiencia inolvidable que os invito a tener (¡cuidado con el champagne del primer vuelo!). Y como muestra bien vale el botón que aparece en el vídeo (una buena oportunidad para que algunas/os practiquen con el francés).

En su estado inicial el globo y todos sus aparejos se encuentran en el suelo, en reposo. Luego, ¿qué sistema transfiere energía al globo para que éste ascienda a una determinada velocidad? a) Se admiten propuestas; señala claramente los sistemas que intercambian energía y una cadena de transferencia que los una.

Hagamos algunos cálculos: supongamos que la masa del globo con aparejos, sacos de arena, pasajeros y piloto es de 275,0 kg, y que una vez inflado comienza a ascender con velocidad constante de 1,00 m/s hasta que alcance la altura máxima que es de 175 m. b) ¿qué energía tendrá el sistema cuando haya alcanzado los 100 m de altura?; c) en esa situación, ¿qué energía tendrá uno de los sacos de arena, si sabemos que su masa es de 2,75 kg?; d) por negligencia de uno de los pasajeros, uno de los sacos se ha caído cuando se encontraba en el estado anterior. ¿Qué energía cinética y qué velocidad tendrá el saco cuando se encuentre a 5,00 m del suelo?. Para todos estos apartados de cálculo no olvides señalar cada estado, así como de definir el valor de cada una de las variables de estado. ¿Qué suposición debes hacer para resolver el problema?

Una experiencia sobre transferencia de energía

Volvemos a los orígenes de este blog con un vídeo, en el que Marcos, Sergio, Fernando y Diego muestran como determinar el coeficiente de restitución de una pelota de tenis. Dicho coeficiente mediría el tanto por uno de la energía final que tiene una pelota de tenis tras chocar con el suelo; el resto de la energía la ha transferido al suelo en forma de calor.
El "problema" que muestra el vídeo seleccionado es que tan sólo toman dos alturas, y claro, por dos puntos experimentales pasa siempre una recta (la determinación del coeficiente de restitución pasa por determinar la pendiente de una recta, la cual se obtiene al representar la raíz cuadrada de la altura de caída frente al tiempo medio en el que la pelota dejaba de botar). Esperemos que en otra ocasión sean más cuidadosos con este aspecto experimental que es importante: cuantos más datos dispongas, mejor será la conclusión experimental.

Sobre transferencias de energía (III)

Los resultados del problema anterior son: a) Central eléctrica --> motor-grúa (es indiferente) --> palet; b) W = 2,01.10^4 J; c) Q = 2,11.10^3 J; d) la temperatura del almacén aumentará.
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La imagen que aparece más abajo muestra un modelo de jumping shoes, dispositivos que permiten saltar grandes alturas sin gran esfuerzo. Un modelo un poco diferente lo podemos observar en el vídeo que aparece a continuación:

Realicemos algunos cálculos sencillos basándonos en las imágenes del vídeo y haciendo ciertas suposiciones que no podemos comprobar. Imaginemos que cada jumping shoe se comportase como un muelle, con una constante elástica de 900 N/m. Imaginemos también un saltador cuya masa, zapatos incluidos, sea de 65,0 kg que salta desde una altura de 1,50 m. Determinar: a) energía que posee el saltador en el estado inicial; b) ¿cuánto se deformarán los zapatos tras el choque? c) si imaginamos el saltador como una pelota de golf, cuyo coeficiente de restitución sea de 0,910, ¿qué energía tendrá el saltador después del choque con el suelo?; d) ¿con qué velocidad comenzará a ascender tras el choque?; e) ¿qué altura alcanzará tras el choque?. No olvides especificar los distintos estados así cómo las variables de estado que sean conocidas en cada uno de ellos.

Sobre transferencias de energía (II)

Los resultados del problema anterior son: Batería ---> Winchi ---> Coche. La transferencia entre la batería y el winchi es de energía (AE), mientras que la que se da entre el winchi y el coche es en forma de trabajo (W)

a) 9,22.10^3 J; b) 1,50.10^4 J; c) 0 J (leer la explicación que se da en la cadena de transferencia); d) 0,615

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Sobre transferencias de energía

El winchi de una grúa es un motor eléctrico capaz de ascender un coche a través de la rampa de su remolque.Para ello es necesario que la batería de la grúa transfiera al winchi una determinada cantidad de energía. Describe los sistemas que se están intercambiando energía entre sí para conseguir subir un coche a la grúa. Supongamos el caso práctico de elevar un coche de 1000 kg de masa, para lo cual el winchi realiza una fuerza de 1500 N, desplazando 7,50 m el coche a lo largo de la rampa, con una inclinación entre cable y coche de 35,0 º. a) ¿Qué trabajo transfiere el winchi al coche?; b) si la potencia del winchi es de 1,00 kW y funciona durante 15,0 s para elevar el coche, ¿qué energía transfirió la batería de la grúa al winchi?; c) ¿y cuánto transfirió el winchi en forma de calor al entorno?; d) ¿cuál es el rendimiento del winchi?

Winchi

Winchi elevando un coche en la rampa de una grúa

Hacer visible las transferencias de energía

Al explicar el concepto de calor y de trabajo como formas de transferir energía, se nos puede ocurrir alguna forma de demostrar visualmente la coincidencia de ambas transferencias dentro de un mismo fenómeno. En esta ocasión la transferencia de energía entre un foco a temperatura elevada (la vitrocerámica) y otro a temperatura menor (un punto situado a una cierta altura sobre la vertical) aparece en forma de trabajo, el que se invierte en hacer girar el molinillo. El desafío obligaba a los alumnos a construir uno de 3 o de 6 aspas (para huir del típico de 4), disponiendo además de un palillo chino y de un alfiler. Entre los intentos recibidos, éste de Víctor me ha parecido el mejor explicado. ¡Qué lo disfrutéis!