Aceleración
28 abr, 2012
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PDFEn el aire y en el agua
PRESENTACIÓN: En un recipiente con agua flota una pelota de ping-pong unida a un hilo. Cuando el recipiente se acelera la pelota se mueve en la dirección de la aceleración.
- A Simple Apparatus for Demonstrating Fluid Forces and Newton’s Third Law, Pirooz Mohazzabi and Mark C. James, Phys. Teach. 50, 537 (2012)
INTRODUCCIÓN: El comportamiento de un objeto en el seno de un fluido depende de diversos factores entre los que se encuentran:
- El estado dinámico del fluido.
- La densidad relativa del fluido y del objeto.
- La naturaleza del fluido (fluidos newtonianos, fluidos no newtonianos), etc.
OBJETIVO: Estudiar el comportamiento de un objeto en un recipiente acelerado que contiene un fluido.
MATERIALES: recipiente transparente, pelota de ping-pong, hilo, adhesivo, fluido newtoniano más denso que el aire (agua).
MONTAJE: Se adhiere al fondo de un recipiente transparente un hilo de menor longitud que la altura del recipiente. Al otro extremo del hilo va unida la pelota de ping-pong. Para ambas experiencias desplazamos el recipiente con una fuerza horizontal, adquiriendo este una aceleración. Cuando el recipiente contiene aire, la pelota se desplaza en sentido contrario al recipiente. Cuando contiene agua se desplaza en el mismo sentido.
EXPLICACIÓN: Las ecuaciones que describen las experiencias son:
[FHorizontal sobre la pelota = – (dObjeto – dFluido) · aRecipiente · VFluido]
[FHorizontal sobre la pelota = mObjeto · aObjeto]
En la primera experiencia el recipiente solo contiene aire y la pelota oscila libremente. Cuando una fuerza actúa sobre el recipiente este se mueve con una aceleración (aRecipiente ). Como la densidad del objeto es mayor que la del aire la fuerza horizontal que actúa sobre la pelota tiene sentido contrario a la aceleración del recipiente. Por tanto la aceleración de la pelota (aObjeto ) es opuesta a la del sistema aire-recipiente.
En la segunda experiencia se sigue el mismo procedimiento pero en este caso se sustituye el aire por agua. Como la densidad del fluido es mayor que la del objeto la aceleración de la pelota tiene el mismo sentido que la aceleración del recipiente. Esta segunda experiencia sólo se verifica si el fluido utilizado es newtoniano, como el agua o el alcohol.
Si el fluido no fuese newtoniano y la viscosidad dependiese de la presión, como existe una fuerza sobre el sistema fluido-recipiente el comportamiento del fluido se acercaría al de un sólido. Algunos ejemplos de fluidos no newtonianos son la miel o la sangre.
CONCEPTOS: mecánica de fluidos, empuje, fluido newtoniano, fluido no newtoniano, relación de densidades.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- K.U. Ingard, W.L. Kraushaar, Introducción al estudio de la mecánica, materia y ondas, Editorial Reverté, 1972.
- P.A. Tipler, Física, Editorial Reverté, 1989.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2011-2012: Roberto Agromayor, Antonio Alonso, Rosalía Alvarellos, César Álvarez
ENLACE pdf ALUMNADO:
10 responses to "Aceleración"
Siempre me ha llamado mucho la atención el funcionamiento de lo no «usual». En este caso lo que más me ha llamado la atención en este experimento ha sido como describe la miel como fluido no newtoniano. Yo tenía entendido que era newtoniano como describen en este vídeo. Donde explica como en los líquidos no newtonianos la viscosidad cambia al aplicar una fuerza.
Por definición en un fluido newtoniano la viscosidad depende sólo de la temperatura y presión… Algunos enlaces de otro proyecto
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Hay muchos otros fluidos no newtonianos que usamos día a día, como por ejemplo el kétchup o la maicena. En este vídeo del progrma de TV El Hormiguero, por ejemplo, se puede ver como corren por encima de una piscina de maicena.
Otra cosa curiosa acerca de fluidos no newtonianos:
Debido a su capacidad de «endurecerse» al sufrir un aumento brusco de presión (por ejemplo, al golpearlos), los fluidos no newtonianos se emplean en la elaboración de chalecos antibalas.
En este enlace se explican las propiedades generales de estos fluidos, así como el porqué de su uso como antibalas.
Nosotros mismos podemos sentir ese efecto cada vez que montamos en coche. Notamos la aceleración y de desaceleración constantemente.
Me ha gustado mucho un vídeo que encontré en la red referente al lanzamiento de huevos. Se realiza en un instituto y cada uno de los grupos diseña un aparato que evite que el huevo se rompa. Algunos lo consiguen y otros no. Todo depende de que el material consiga dar tiempo y adsorber la desaceleración producida.
Neste experimento vese moi ben como un corpo nun fluído máis denso o sentido da aceleración é no sentido do movemento e como nun fluído menos denso que o corpo o sentido da aceleración é contraria ao movemento. Creo que este pode ser un experimento un tanto desconcertante para os alumnos de secundaria, polo menos na ESO, porque non creo que sexan capaces de mesturar aceleración e propiedades dos fluídos. É certo que a nosa labor como docentes será a de que sexan capaces de aplicar conceptos dun tema en outro. Un experimento que se pode facer previamente, para comprobar como é a aceleración en distintos fluído pode ser o de lanzar un peso nun recipiente con auga e o mesmo peso nun recipiente con aire, con este experimento poden observar a acción da densidade sobre o movemento, e unha vez entendan isto facer este experimento.
Poderíase intentar repetir a experiencia por terceira vez no seo dun fluido non newtoniano, por exemplo auga con maicena. Serviría de introdución para explicar as diferenzas entre ambos os dous tipos de líquidos.
Esta experiencia manipulativa resulta muy ilustrativa para llevar al aula ya que se muestra claramente cómo se comporta una pelota de ping-pong en diferentes medios. Por un lado, se observa que la pelota de ping-pong en un recipiente con aire, la pelota experimenta una aceleración opuesta al recipiente. Mientras que si la pelota está en un recipiente con agua con mayor densidad que la pelota, ésta presentará el mismo sentido de aceleración que el recipiente.
Esta actividad experimental resulta muy útil para explicar los conceptos de fluido (en el que podemos diferenciar los newtonianos de los no newtonianos), su densidad y comportamiento. Además podemos también explicar con esta experiencia el concepto de aceleración. Creo que podríamos usarla tanto en la ESO como en Bachillerato y es importante dejar claro que la diferencia en el sentido de movimiento de la pelota de ping-pong se debe a la densidad del fluido. Tenemos una misma pelota de ping-pong, que se comporta de distinta forma dependiendo del fluido en el que se encuentre. En un fluido más denso (el agua) el sentido de la aceleración es el mismo que el del movimiento. Sin embargo, en uno menos denso (el aire) la aceleración es opuesta al movimiento.
Me parece un ejercicio muy ilustrativo para trabajar las distintas fórmulas de mecánica de fluidos. Además de toda la componente física que tiene el experimento, no podemos olvidar que tiene una importante componente matemática, ya que dependiendo de como sea la diferencia entre densidades, así será el signo de la fuerza que actúa sobre la pelota, y por lo tanto su orientación en el movimiento. Otra de las opciones para explicarle este tema a los alumnos, sería observar el movimiento de un sólido en un fluido viscoso pero en vertical, ya que de esta manera también conocerían el concepto de empuje y fuerza de rozamiento. Os dejo una página donde se explica esto último y además propone como planificar la experiencia práctica.