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:
21 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.
Seguindo coas aportacións relacionadas cos fluidos non newtonianos, comparto este vídeo que mostra o seu comportamento ao ser sometidos a ondas de presión sonoras mediante os baixos dun altofalante. Un líquido newtoniano salpicaría por todas partes, pero un non newtoniano, ao aumentar a súa viscosidade cando é sometido a unha presión, compórtase como unha xelatina ou algo similar. Pareceume moi chamativo. Na serie de TV Big Bang Theory fixeron este mesmo experimento. Tamén atopei este breve vídeo que podería servir para introducir ao alumnado nos estados da materia e nos fluidos non newtonianos, co exemplo clásico da auga con maicena. Aquí podedes atopar unha explicación teórica máis avanzada.
Ilustrativo experimento para explicar como los cuerpos se comportan en los fluidos. Creo que es muy interesante porque contradice, probablemente, la concepción previa de los alumnos de que la pelota en el agua irá en el sentido contrario al del recipiente. Además, se puede aprovechar para explicar y repasar el concepto de aceleración. Demostración muy visual y ejercicio muy completo.
Los fluidos no newtonianos tienen una gran aplicaciones en los llamados “badenes inteligentes de velocidad”. Este sistema permite controlar la velocidad de los conductores aumentando su dureza en función de la velocidad a la que circula el vehículo que pasa por encima de él. Si circulamos a la velocidad marcada en la carretera, apenas notaremos el salto. Sin embargo, si circulamos a una velocidad superior a la establecida, las partículas líquidas en movimiento natural se alinean cuando reciben un impacto, entrando en un estado sólido. El ingenio consta de dos componentes claramente diferenciados: el recipiente (continente) y el fluido que lleva en su interior (contenido). Para conseguir la respuesta deseada se exige que el fluido muestre un valor de viscosidad diferente dependiendo del valor del impacto recibido por las ruedas del vehículo al circular éste a diferente velocidad. Concretamente se exige que la viscosidad sea pequeña cuando el vehículo pase a baja velocidad por encima del reductor y grande cuando se supere el límite de velocidad permitido.
En este enlace aparece un vídeo en el que se lleva a cabo un experimento que nos muestra qué son los fluidos no newtonianos y en el que se nos enseña a fabricar uno para entender sus propiedades.
Este experimento es muy sorprendente para los alumnos, incluso para mí lo ha sido. Por lo tanto se les va a quedar grabado en la cabeza y no se olvidarán de estos conceptos, sobre todo porque lo que a priori pensamos es que la pelota se moverá en el mismo sentido tanto en agua como en aire y en el experimento se muestra y se explica que no es así. Otro concepto nuevo para mí fue el de fluido newtoniano y fluído no newtoniano, en el siguiente vídeo mostramos las diferencias entre unos y otros. Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante y un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constante que varía en función de la temperatura y fuerza cortante a la que esté sometido. En el siguiente vídeo del famoso programa de TV El Hormiguero muestran un experimento con un líquido no newtoniano.
Me parece un experimento muy visual, fácil de desarrollar, y que puede hacer que los alumnos entiendan mejor conceptos que normalmente los vez de forma abstracta, intangible, como algo que no está en su día a día. La dinámica de fluidos estudia los fluidos en movimiento y es una de las ramas más complejas de la mecánica por lo que todos los elementos que puedan explicarse de un modo visual, tangible, serán mejor comprendidos y permanecerán por más tiempo en nuestra memoria. En este enlace se explican las diferencias entre fluidos newtonianos y no newtonianos, y en éste se ve el distinto comportamiento de un globo lleno de agua y lleno con un liquido no newtoniano. Finalmente, como me gusta relacionar ciencia y arte, os dejo este vídeo impresionante donde se graba en slow motion el efecto del sonido sobre un liquido no newtoniano, realmente es una obra de arte en si mismo.
Los vídeos describen un experimento muy interesante del cual no era conocedor. Escribo mis conclusiones de la forma más simple posible sin entrar en mucho detalle: como todo cuerpo, el líquido tiene una inercia, una oposición al cambio de movimiento, por lo que al empezar a mover el recipiente tendería a desplazarse al lado contrario de donde se mueve éste, generando presiones mayores en dicha zona que provocan un empuje en la pelota que le hace moverse acorde al movimiento provocado. Genial para que los alumnos puedan visualizar el sentido de la aceleración.
Y que pasaría en el vacío?? en este link se muestra! Este canal de Youtube tiene muchísimos experimentos en una caja de vacío, que son muy útiles para explicar una multitud de fenómenos.
Impresionante el experimento, realmente nunca hubiera pensado que la pelota de ping pong fuese en la misma dirección que la aceleración (como pasa al estar inmersa en el agua), y al realizar la comparación el impacto del fenómeno y la explicado ha sido aún mayor. Creo que es un experimento ideal para los adolescentes, tanto en la ESO para introducir la velocidad como en bachillerato para a mayores centrarse en cada una de las diferencias de ambos experimentos. Para repasar el concepto de la aceleración, magnitud física que mide lo rápido que cambia la velocidad por ejemplo este vídeo preparatorio de Selectividad. Los líquidos no newtonianos han sido un descubrimiento para mí, me ha encantado el experimento de la piscina de maicena realizado en el programa el hormiguero. Mi curiosidad me ha llevado a buscar información, llegando a la siguiente pregunta ¿Puede un líquido no newtoniano protegerte de una explosión? Al aplicarles una fuerza actúan como un sólido… sería como un muro no?¿ Para saber la respuesta aquí tenéis a los cazadores de mitos.
Experiencia muy interesante para que los alumnos puedan comprender la influencia del medio en el que se encuentra un cuerpo en su comportamiento. Aunque en esta experiencia solo se muestra qué sucede en el aire o en un fluido newtoniano, sería muy interesante hacer la experiencia también con un fluido no newtoniano. En este punto, se les podría explicar a los alumnos cómo se ve afectada la sangre de nuestro cuerpo cuando es sometida a distintas aceleraciones.
Con este experimento es fácil que los alumnos puedan entender conceptos relacionados con los distintos tipos de fluidos que existen y visualizar el comportamiento de un objeto en un recipiente acelerado que contiene un fluido. Por otro lado, también sirve para que los estudiantes entiendan el concepto de aceleración. Considero importante que los alumnos vean cómo la pelota de ping-pong, dependiendo de la densidad del fluido que utilicemos, se comporta de distinta manera. Dejo un enlace que me ha parecido muy interesante que habla sobre lo que es un fluido no newtoniano y como se consigue.