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
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41 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.
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.
Encantoume o vídeo do fluído non newtoniano «bailando» sobre o altofalante. Asumo que a altura que alcanza o fluído depende da intensidade (dB) da onda sonora que emite o altofalante, pero non teño claro se a frecuencia da onda inflúe tamén dalgunha maneira. Neste vídeo e noutros que vin utilizan sons máis ben graves; non atopei experimentos que proben tamén con agudos.
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.
¡Qué interesante resulta este experimento para comprender una rama tan abstracta de la mecánica de fluidos, como es la dinámica de los fluidos! Considero que es muy importante poder enseñar estos conceptos tan abstractos con experimentos visuales y que el propio alumnado pueda fabricar, manejar y manipular. Con estos vídeos queda muy claro el hecho de que un cuerpo se comporta de manera diferente según el fluido sobre el que se encuentre.
Estos dos vídeos pueden resultar interesantes de cara a entender qué son los fluidos newtonianos y no newtonianos (vídeo 1: ) y cuáles son sus características.
Experiencias de este tipo son una buena forma de introducir al alumnado a al conocimiento sobre los fluidos newtonianos y no newtonianos, sirviendo también de repaso en conceptos como la densidad, y como esta influye cuando un objeto se introduce en un determinado fluido, o la aceleración. El alumnado poco familiarizado con los fluidos no newtonianos puede enriquecerse con vídeos de este tipo donde se fabrican y se experimenta sobre ellos.
A mi lo que se me ocurre de cara a la enseñanza es ligar esta demostración (cuando la pelota está en agua) a la explicación / repaso de la tensión superficial. Adjunto un video.
Interesante vídeo para comprender como se comporta un cuerpo en distintos fluidos. Me ha sorprendido que en el agua la pelota va en la dirección de la aceleración. Sería interesante ver como se comportaría un cuerpo (como la pelota de ping-pong) en otro tipo de fluidos, especialmente no newtonianos, y en el vacío. Creo que es un vídeo muy interesante para explicar las fuerzas en cursos de la ESO, viendo como influye la densidad en la dirección de la aceleración. A continuación, os dejo un vídeo muy divertido sobre el comportamiento de los fluidos no newtonianos.
Estaba pensando yo ahora en el agua, como ejemplo de fluido newtoniano (en condiciones normales de presión y temperatura) y me vino en mente el enigmático Acueducto de Piedra de Cumbemayo. Para los que no lo conozcáis, o hayáis oído hablar de él, se trata una obra de ingeniería hidráulica andina prehispánica. En ella se puede apreciar que los ingenieros andinos dominaban el conocimiento y las aplicaciones de la gravedad, 2000 años antes de que fuese formulada por Isaac Newton el el libro «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica», publicado en 1687. Su increíble diseño hace posible que el agua vaya pasando de unas cuencas a otras de forma ascendente, lo que hace que sea considerado una de las obras hidráulicas más destacadas de la América precolombina. Aquellos que tengáis interés por las grandes obras hidráulicas os aconsejo que indaguéis sobre el tema porque es realmente espectacular.
Yo complementaría las referencias con la siguiente entrada de wikipedia, donde se explican las fuerzas de inercia. A mi juicio, ayudaría a aclarar lo que está sucediendo en los experimentos.
Para complementar la explicación con una comparación sencilla y divertida entre fluidos newtonianos y no newtonianos, dejo el enlace a este vídeo, que nos explica cómo debemos hacer para que el ketchup salga del bote sin ponernos perdidos…
O concepto da aceleración é máis importante do que pensamos. A súa medición é fundamental para o funcionamento correcto de distintos dispositivos tecnolóxicos. Entre eles, temos os móbiles ou «smartphones», incorporando no interior un acelerómetro para detectar a posición do teléfono en cada momento. Un acelerómetro mide a aceleración lineal do movemento, mentras que o xiroscopio do teléfono, polo contrario, mide a velocidade angular de rotación. Por tanto, ambos sensores miden a velocidade de cambio nun determinado intervalo de tempo, só que o acelerómetro mide o movemento lineal e o xiroscopio mide o movemento angular. Aquí deixo un enlace máis detallado da explicación en cómo funciona un acelerómetro, un blog que aporta a explicación tanto en texto como mediante un vídeo.
No referente á aceleracion cómpre distinguila da velocidade, xa que en moitas ocasións tenden a empregarse como sinónimos. A velocidade céntrase na distancia que recorre un obxecto e o tempo que emprega en recorrela (m/s), mentres que a aceleración implica un cambio de velocidade, que aumenta ou disminúe, nunha unidade de tempo (m/s2). Porén, este experimento paréceme moi útil e accesible para levar á aula. Así mesmo, o alumnado tamén pode reproducilo na vivenda debido a gran facilidade para obter os materiais. Finalmente engadir que estaría ben probalo noutros tipos de fluídos para indagar qué sucede.
La aceleración se define como la tasa de cambio de velocidad de un cuerpo. Es importante decir que la aceleración siempre requiere una fuerza neta que actúa sobre el objeto. La aceleración media es la aceleración efectiva entre dos estados de un movimiento. La aceleración media es fácilmente calculable por la relación entre la diferencia de velocidad y el tiempo empleado. Es importante decir que la aceleración media y la aceleración instantánea no son exactamente lo mismo, y es que la aceleración instantánea depende de la fuerza neta instantánea que actúa sobre el objeto, mientras que la aceleración media depende de la fuerza neta promedio que actuará sobre el sistema, así como de cualquier cambio de masa dentro del intervalo. Por tanto podemos decir que la aceleración que se está observando es la instantánea, provocada por el efecto de la fuerza que se ejerce sobre el objeto, que modifica el estado de semi-reposo de la pelota de ping-pong para ponerla en movimiento, pasando de un estado con velocidad 0 m/s^2 a otro con velocidad, la cual se alcanza mediante una aceleración.
Me parece una muy buena experiencia para que los alumnos comprendan la aceleración y también se den cuenta de que para que un objeto se mueva o aumente su velocidad es necesario aplicar una fuerza. Al mismo tiempo, el hecho de que el objeto no se mueva en el mismo sentido en aire y agua les causará sorpresa. Como también interesa que sepan diferenciar fluidos newtonianos de no newtonianos, se podría realizar la misma experiencia con algún fluido no newtoniano (mayonesa, miel, ketchup, yogur…) para ver que sucede. En vez de trabajar con alguno de los productos anteriores, les motivaría más que ellos mismos elaborarán un fluido no newtoniano. En este vídeo se explica de manera sencilla su elaboración.
Una vez elaborado pueden introducir los dedos y después golpearlo con su puño para ver que al aplicar una fuerza parece que el fluido se comporta como un sólido; ya que estos tienen la capacidad de cambiar su viscosidad en función de la fuerza aplicada sobre ellos.
Este experimento me ha parecido muy ilustrativo para explicar cómo se comportan los cuerpos ante fenómenos como la aceleración en un medio acuoso. Creo que puede causar cierta sorpresa en el alumnado (a mí también me lo ha causado) ver cómo se comporta la pelota ante la aceleración en el agua. Seguro que en el aula es una experiencia muy enriquecedora y para los alumnos ver este tipo de demostraciones ya que va a tener un aprendizaje significativo asegurado.
Este experimento ayudará al alumnado a distinguir la velocidad de la aceleración y a entender esta última. Además, se trata de un experimento fácil de realizar en casa ya que se emplean materiales muy sencillos. En cuanto a la comprensión de la diferencia entre un fluido newtoniano y no newtoniano, pueden realizar un experimento con agua y maicena. Esta mezcla forma un fluido no newtoniano que cambia su viscosidad en función de la fuerza aplicada.
Un experimento muy visual, además de simple y sencillo. Al hacerlo en clase debería dar curiosidad a utilizar otros fluidos o usar otras pelotas, que no fuera de pipón, y que tuvieran otras densidades para ver como afectaría ante una aceleración bajo estos fluidos. En este caso la pelota adelantándose al inicio de la aceleración se da por densidades, en el que el liquido tiene más densidad que la pelota, de esta forma el liquido va hacia atrás al inicio de la aceleración y ante esta causa la pelota, al ser más ligera, por efecto del agua, va hacia adelante. En el caso de estar el bote vacío, la pelota va hacia atrás, dado que la densidad del aire es menor que el de la pelota.
Me ha encantado el ejemplo con el experimento. La explicación es muy buena. Ojalá me hubiesen explicado a mi la mecánica de fluidos desde un principio. No fue hasta que llegó un profesor nuevo de física desde Rusia que nos explicó con un ejemplo muy claro, la cortina de la ducha, el Principio de Bernoulli. En este artículo explican brevemente los primeros intentos de explicar este fenómeno y a que se debe. Lo dejo aquí para un futuro experimento de clickonphysics!
En este experimento se ve como una misma pelota de ping-pong, que se comporta de forma distinta, dependiendo del fluido en el que se encuentre. Así en un fluido más denso, como es el agua, el sentido de la aceleración es el mismo que el del movimiento. Sin embargo, en uno menos denso como es el aire la aceleración es opuesta al movimiento. Creo que fácil de aplicar en el aula y con buen entendimiento para los alumnos.
Muy interesante la explicación. Así como el comentario de Miguel: «Hay muchos otros fluidos no newtonianos que usamos día a día, como por ejemplo el kétchup o la maicena. En este vídeo del programa de TV El Hormiguero, por ejemplo, se puede ver como corren por encima de una piscina de maicena.»
Los fluidos no newtonianos resultan muy atractivos para una clase, ya que están detrás de famosos experimentos sobre «andar sobre las aguas». Pero además de resultar muy llamativos, tienen aplicaciones muy interesantes:
pueden usarse, por ejemplo, para fabricar chalecos antibalas (como ya apuntó una compañera), ya que son capaces de absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad; pero permanecen flexibles si no hay impacto. Otro uso interesante es el de este fluido para reparar los baches mediante un fluido que cambiaría su viscosidad y se volvería duro con la temperatura o con la tensión que ejercen los coches sobre el agujero. Otras utilidades:usar las propiedades especiales de estos fluidos en prendas de vestir protectoras: cascos, rodilleras, codos, por ejemplo. Estos protectores serían capaces de moverse dinámicamente y ser livianos al tiempo que se endurecen en caso de recibir un golpe.
Resulta muy curioso ver el comportamiento de los globos según su contenido en helio o en CO2. Ver cómo van en direcciones opuestas según sea aceleración o deceleración; así como izquierda o derecha. La bolita que explica la Ley de Arquímedes sumergida en agua, se comporta como los globos de contenido en helio. Se ve muy bien en la cámara lenta con los globos de colores azul/rojo.
Gustaríame que o experimento explicase dun xeito máis profundo o motivo polo que a diferencia de densidades dos fluídos fai con que un obxecto, ante unha aceleración, se desplace nunha dirección ou noutra. Exemplifícase moi ben no vídeo, pero non se profundiza na lóxica interna do experimento.