Vacío
02 feb, 2013
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PDFSemiesferas de Magdeburg
PRESENTACIÓN: Dos desatascadores o ventosas se ajustan para obtener un buen acoplamiento creando un vacio parcial en su interior. La fuerza necesaria para separarlas es proporcional a su sección y a la presión atmosférica que las rodea.
- Improved Vacuum Bazooka, John Cockman, Phys. Teach. 41, 246 (2003)
- Simple vacuum experiments, R. D. Edge, Phys. Teach. 25, 523 (1987)
INTRODUCCIÓN: Dos hemisferios se unen y se trata de separarlos tirando de ellos. Si se hace vacío dentro de la esfera no será posible separarlos sin un gran esfuerzo, ya que la fuerza ejercida por la presión del interior desaparece y fuerza generada por la presión atmosférica no es compensada. El experimento fue imaginado por Otto von Guericke, burgomaestre de Magdeburg. En 1654 fue probado con dos hemisferios 55 cm de radio en presencia del Emperador Fernando III. Para asombro de los asistentes fue necesario un gran esfuerzo por parte de los 16 caballos requeridos por Guericke para separar los hemisferios.
OBJETIVO: Comprobar el experimento de Guericke con dos hemisferios de menor radio y calcular el valor de la fuerza necesaria para separarlos.
MATERIALES: Dos hemisferios, en este caso dos desatascadores idénticos (de radio 7,5 cm), una bomba de vacío (opcional).
MONTAJE: Se juntan los dos hemisferios de modo que en la superficie de contacto entre ambos se cree un cierre hermético que no permita el paso del aire, posteriormente se hará vacío en el volumen encerrado entre los hemisferios. En este caso los hemisferios serán dos desatascadores, los cuales tomaremos como semiesferas para la realización de los cálculos matemáticos, y, pese a no ser un sistema de gran eficacia, interpretaremos que el vacío conseguido al juntar con fuerza ambos desatascadores es total (aunque no exista tal vacío). Posteriormente se tratará de separar ambos hemisferios aplicando una fuerza.
EXPLICACIÓN: Cada hemisferio se encuentra sometido a una fuerza F₀ debida a la presión atmosférica P₀, y a una fuerza interna F debida a la presión interna P. Por tanto, y teniendo en cuenta la relación entre la fuerza y la presión ejercida sobre una superficie: F=P·S (al ejercerse una fuerza perpendicular al plano de unión de los hemisferios dicha superficie será la de un círculo de radio R), la fuerza resultante sobre cada hemisferio apuntará hacia el interior y vendrá dada por: FR=F₀ – F
En cuanto se hace el vacío, P≃0, y la única fuerza que actúa es la ejercida por la presión atmosférica. Así, para nuestros hemisferios de R=0,075 m (y suponiendo un vacío total en el interior) la fuerza requerida para separarlos sería de: F= P₀·(3.1415·0,075²)=1.790,56 N
CONCEPTOS: presión, presión atmosférica, fuerza.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
ALUMNADO 2012-2013: Manuel Otero Jorge, Óscar Penas García, Julián Pérez Tavernier
ENLACE pdf ALUMNADO:
34 responses to "Vacío"
Ampliando un poco la información histórica decir que en mayo de 1654 en la ciudad alemana de Magdeburgo, delante del emperador Fernando III y su séquito , el científico alemán Von Guericke realizó una exhibición de este espectacular experimento.
Consistía en tratar de separar dos hemisferios metálicos, de unos 50 cm de diámetro, unidos entre sí por simple contacto, formando una esfera herméticamente cerrada, de la que se extraía el aire con una bomba de vacío ( inventada por el propio Von Guericke).
Para facilitar el cierre hermético de las semiesferas metálicas o hemisferios, se disponía de un aro de cuero que se colocaba entre las superficies que se tocaban. Cada hemisferio disponía de varias argollas para pasar cuerdas o cadenas por ellas y así poder tirar hacia los lados opuestos.
Los espectadores quedaron totalmente impresionados al comprobar que diferentes grupos de hombres tirando con todas sus fuerzas hacia ambos lados no conseguían separar los hemisferios.
Tampoco pudieron inicialmente separarlos 16 caballos, en dos grupos de 8 a cada lado. Sólo después de un tiempo haciendo un gran esfuerzo lograron su objetivo provocando un estruendo enorme.
Los hemisferios que formaban la esfera, que tanto esfuerzo costó abrir, se separaban sin ninguna dificultad con sólo dejar entrar de nuevo aire en su interior.
Este experimento se volvió a realizar , en Granada en el año 2005 en el que 16 caballos no pudieron llegar a separar los hemisferios.
Hay que tener en cuenta que el vacío conseguido con la bomba de Von Guericke del siglo XVII era menor que el que hoy en día se consigue con las bombas de vacío de la actualidad.
Esto podemos explicarlo debido a que todo lo que hay en la superficie de la Tierra, recibe fuerzas perpendicularmente a su superficie en todas las direcciones. De la misma forma las reciben los hemisferios tanto en su interior dirigidas hacia fuera como en el exterior hacia dentro.
Si una vez cerrados los hemisferios formando la esfera, se les quita casi todo el aire que hay dentro, las fuerzas sobre la superficie exterior que los aprieta uno contra el otro, es muy superior a la que actúa sobre ellos hacia fuera por el aire que tienen en su interior, lo que hace muy difícil separarlos. La fuerza neta que aprieta los hemisferios, repartida sobre toda la esfera formada, o sea, la que hay que vencer para separarlos, suponiendo que el vacío conseguido en el interior fuese como un 10% del aire exterior, es del orden de siete toneladas.
Nesta experiencia ponse de manifesto a relación entre a forza e a presión (F=P.S) tomando unha superficie constante. Como indica a fórmula, a maior presión maior será a forza resultante e viceversa.
Nos vídeos que se facilitan, preténdese demostrar a existencia do vacío e a forza da presión atmosférica. O experimento consiste en dúas semiesferas ocas (simulando as semiesferas de Von Guericke, coas que o científico alemán demostrou esta experiencia na cidade de Magdeburgo) que, si se unen e se extrae o aire do seu interior, crean un vacío interno. Nestas condicións, a atmosfera exerce sobre a superficie externa unha presión que fai moi difícil separar as pezas. De feito, estas deben ser moi sólidas, xa que unha vez practicado o vacío no seu interior, a presión atmosférica é capaz de rebentalas.
O efecto é similar ao conseguido cando unimos pola súa base dous desatrancadores de tubaria e os presionamos o un contra o outro. O vacío non é total, pero fai falta moita forza para separalos.
Este experimento permite comprobar de forma muy sencilla la fuerza que ejerce la presión atmosférica. Si además, cómo señala un comentario anterior, se comprueba como lo hizo Otto von Guericke en 1654 impresiona más aún. Como curiosidades del experimento original señalar que el autor del experimento utilizó para generar el vacío una bomba diseñada por él mismo, y que el nombre de este experimento es que lleva el nombre del lugar donde se realizó, Magdeburg, en vez del de su autor. Este experimento se ha vuelto a realizar en la actualidad en numerosas ocasiones; en Granada no se consiguió separar los hemisferios de la esfera a pesar de la fuerza ejercida por 16 caballos, en Alemania tampoco se consiguió separar la esfera a pesar de las diferentes pruebas que realizaron con ella, en Bélgica sí lo consiguieron utilizando 16 percherones. La esfera debe de ser lo suficientemente fuerte para soportar la presión del aire, ya que de no ser así se aplastaría como ocurre con el clásico experimento de la lata calentada y enfriada al instante, o con su versión en formato barril (vídeo, a partir del minuto 2:10). Este experimento demuestra que es la presión atmosférica la que hace que funcionen las ventosas que usamos en el día a día (para llevar el GPS en el coche, o colocar colgadores en el baño) o que se usan en la industria del automóvil para colocar los cristales en los coches.
En este pequeño vídeo, se muestran tres experimentos sencillos y fáciles de realizar para ver el efecto del vacío y de la presión. El primero consiste en proceder a una combustión dentro de un matraz, colocar un huevo en la boca del matraz y cuando el oxígeno se consume, por efecto del vacío se deformará el huevo y entrará en el matraz. En el segundo experimento se ve como por efecto de la presión un matraz colocado boca abajo con una vela es su interior y sumergido en un líquido, se ve como este líquido asciende hasta consumirse todo el oxígenos y hacerse el vacío.
En el tercero de los experimentos se calienta una lata y luego se sumerge en agua fría viendo como rápidamente se deforma la lata.
Cualquiera de estos experimentos se podrían realizar en el aula sin demasiado requerimiento de materiales.
Os propongo que visitéis el siguiente vídeo divertidísimo del famoso programa “ el hormiguero” , donde se realiza un experimento que se podría realizar fácilmente en el aula, se trata de hacer vacío en dos copas de cristal y así mantenerlas unidas, este vació entre las dos copas se logra introduciendo un globo deshinchado en el medio de las copas de tal forma que la boquilla del globo quede fuera , mientras que sujetamos las dos copas manteniéndolas pegadas con las manos, vamos inflando el globo con la boca y se va generando el vacío esperado ya que estamos invadiendo la cavidad de aire de los dos recipientes con el globo, una vez inflado, cerramos la boquilla con las manos (para no desinflarlo y perder el vacío), agitamos y las copas no se caen.
Un animal que utiliza estos principios para capturar sus presas es el pulpo. Cada una de sus ventosas tiene un sistema de músculos que le permiten primero ajustarse a la superficie de aquello a lo que se quieren aferrar y segundo crear una fuerte presión negativa en su interior, de forma que la presa no consiga escapar. Las ventosas son unos órganos tremendamente complejos que constan de complicados sistemas musculares y neuronales que les permiten agarrar, palpar, “probar” y manipular las presas con gran precisión.
+info
Sen ir máis lonxe deixo este enlace sobre os hemisferios de Magdeburg feito polo IES Rosalía de Castro en Santiago.
Outra forma de facer baleiro nun matraz e enchelo de auga fervendo, despois baleirámolo rapidamente e introducimos un globo na boca do matraz, ao metelo nun recipiente con auga fría observamos como o globo de incha dentro do matraz e non se desincha.
Tamén son interesantes os recipientes de cociña que se empregan para conservar ao vacío e que mediante un dispositivo extraen o aire do interior.
Tamén permiten obsevar o efecto da expansión do globo no seu interior e o da presión atmosférica sobre a tapa
Déixovos aquí unha experiencia curiosa sobre o baleiro.
Otro de los aparatos presentes en nuestra vida cotidiana cuyo funcionamiento se basa en la formación de un vacío son las aspiradoras. El motor que está en el interior de la aspiradora expulsa el aire que le rodea. Así, se crea un vacío, y el aire del exterior entra por el tubo de la aspiradora (arrastrando la suciedad que tiene alrededor) y fluye hacia el interior de la aspiradora para compensar el vacío creado. Vídeo.
Este vídeo amósanos a gran forza que pose chegar a exercer unha pequena ventosa, debido ao efecto baleiro que desenvolve; ademais dunha utilidade extra.
El pez rémora es otro animal que se aprovecha de este principio en beneficio propio. La rémora presenta la primera aleta dorsal modificada en forma de ventosa lo que permite adherirse a otros animales como tiburones, tortugas o incluso a los cascos de lo barcos.
+información
La aplicación de las ventosas es uno de los métodos terapéuticos empleados en la Medicina Tradicional China con la finalidad de provocar determinados estímulos cutáneos y tisulares mediante la producción del vacío.
Esto tiene aplicaciones muy amplias; en general, tanto las enfermedades de la medicina interna, como las del sistema nervioso o locomotor entre otras. Por ejemplo: resfriado, tos, asma, celulitis, parálisis facial… etc
Las semiesferas de Magdeburg ejemplifican de manera muy sencilla el concepto del vacío y las presiones negativas. Aunque parezca ajeno a nosotros, lo cierto es que sus aplicaciones son muy numerosas y cotidianas. Por citar solamente un ejemplo está la invención del pulmón de acero: este dispositivo, que consiste en una cámara hermética dentro de la cual se sitúa el cuerpo de una persona (salvo la cabeza), aplica alternativamente presiones positivas y negativas, simulando el funcionamiento normal de los músculos respiratorios. Muchas enfermedades degenerativas, así como los venenos o toxinas despolarizantes de la placa motora pueden producir la muerte por este tipo de fallo muscular.
Puede consultarse más información sobre el pulmón de acero en este enlace.
Actualmente, la respiración asistida es controlada clínicamente de manera más sofisticada por intubación.
He encontrado este vídeo donde se recrea al experimento original realizado en 1654 por Otto Von Gericke.La presión atmósférica es una fuerza por unidad de área a la que estamos todos los días sometidos y por ello no reparamos en su magnitud y este experimento ilustra perfectamente la intensidad de la misma,
Los hemisferios de Magdeburgo consisten en dos bóvedas metálicas huecas, de unos 500 litros de capacidad, de forma hemisférica que se ajustan una con otra formando una esfera. Del interior se extrae el aire con una máquina neumática, provocando un vacío. Su origen se debe al burgomaestre de Magdeburgo, Otto von Guericke, quien también fue el inventor de la máquina neumática. En el siguiente enlace podéis ver algo más de la historia de este experimento. Lo que muestran ambos vídeos, sirve en la práctica como experimento en física para las demostraciones de la presión atmosférica. En los hemisferios sólo actúa la presión atmosférica, ya que al extraer el aire no hay presión en el interior. Si la superficie de los hemisferios es suficientemente grande, se necesita una fuerza bastante considerable para tratar de separarlos.
Los aparatos que funcionan con vacío en nuestra vida diaria son múltiples y también existen terapias basadas en este principio de modo que las aplicaciones son variadas. A pesar de su sencillez, uno de los experimentos de presión negativa que más llama mi atención por ser muy visual y de gran sencillez es el de crear vacío en un recipiente con una vela. Aquí os dejo un vídeo.
Las ventosas son una aplicación práctica del experimento de las semiesferas de Magdeburg. En el siguiente vídeo se explica la el efecto ventosa y la importancia que tiene la presión atmosférica para que se produzca. Trata además de desmentir la concepción alternativa de que el vacío atrae a los cuerpos.
Como dice Sara la aplicación del vacío con fines terapéuticos. Como por ejemplo el vacío que se genera con las ventosas se usan en algunas técnicas de fisioterapia para tratar contracturas musculares.
Al generarse vacío entre dos objetos, será mucho más difícil separarlos. Este vídeo muestra de una forma bastante llamativa este proceso. Al generarse vacío entre la copa y el cristal, se puede levantar el cristal con los cuatro vasos llenos de líquido, sin que se caiga toda la estructura montada.
Nas miñas clases de 3º da ESO fago unha experiencia moi parecida á apuntada un pouco máis arriba. Primeiro quento un matraz erlenmeyer cun mechero bunsen durante un tempo (esto fai que saia aire do interior do matraz). A continuación inserto na boca do mesmo un trozo de globo de xeito que queda plano. Logo saco ó matraz ao exterior apoiado no marco dunha ventá (estamos en inverno e a temperatura é baixa). Ao cabo dun tempo collo o matraz, e os alumnos poden ver o moito que se introducíu a goma. Tentamos darlle unha explicación utilizando as leis dos gases. É unha experiencia que funciona moi ben.
En este vídeo se muestra también un experimento relacionado con la presión y el vacío. Para ello se utiliza una botella con un pequeño agujero, dentro de la cual se infla un globo. Esto provocará que el aire de la botella salga por el agujero, de modo que disminuye la presión en el interior de la botella. Esto permite que, tapando el agujero, el globo se mantenga hinchado aunque dejemos de soplar por la boquilla.
Esta sinxela experiencia recrea o experimento levado a cabo no seu momento (século XVII) polo alemén Von Guericke, creador da primeira bomba de vacío. É a presión do aire, descuberta e medida por Torricelli, a que empuxa cara adentro. A esta experiencia pódeselle sacar moito partido na aula xa que diversos conceptos físicos se poñen de manifesto nela. En primeiro lugar mostramos un xeito de conseguir o vacío cando presionamos os dous desatascadores para expulsar o aire da cavidade que se forma entre eles. En segundo lugar, constitúe unha demostración perfectamente visual dos efectos da presión atmosférica, que non sempre resultan fáciles de percibir para o alumnado dos primeiros cursos da ESO. Do mesmo xeito podemos aproveitalo para relacionar as magnitudes de presión e forza e incluir o exercicio do cálculo da forza supoñendo que os desatascadores teñen forma semiesférica. En último lugar ao desmostrar que é o aire que rodea as semiesferas o que fai forza para mantelas unidas estamos mostrando que o aire está composto de materia (átomos ou moléculas que chocan coa superficie das semiesferas). Por todo isto esta actividade práctica ten moitas utilidades pedagóxicas nunha clase de ciencias en distintos niveis educativos.
Este experimento me parece muy fácil de realizar en el aula y, además, muy práctico para que los alumnos comprendan cómo funcionan las ventosas, las cuales están presentes en múltiples campos, como por ejemplo en algunos tratamientos que son realizados en fisioterapia y en algunos organismos como los pulpos o los calamares. En la fisioterapia estas son usadas en la terapia con ventosas, también llamada cupping therapy, para aliviar el dolor musculoesquelético. En el siguiente enlace se puede consultar más información sobre este tratamiento. En cuanto a las ventosas que poseen algunos de los cefalópodos, estas les permiten poder adherirse a objetos con distinta fuerza e, incluso, manipularlos. En el siguiente artículo de la revista “Investigación y ciencia” nos podemos encontrar más información sobre este tema.
Los hemisferios de Magdeburgo consisten en un dispositivo pensado para demostrar la existencia del vacío y la fuerza de la presión atmosférica. Se trata de dos semiesferas huecas que al unirse y extraee el aire de su interior, crean un vacío interno. Bajo estas condiciones, la atmósfera ejerce sobre la superficie externa una presión que hace muy difícil separar ambas piezas. De hecho, éstas han de ser muy sólidas, ya que una vez practicado el vacío en su interior, a presión atmosférica es capaz de reventarlas.
Las semiesferas deben su nombre a la ciudad alemana de Magdeburgo, donde en 1654 fueron empleadas para realizar un curioso experimento. Otto von Guericke, alcalde de la ciudad y físico de profesión, en presencia de Federico Guillermo -Gran Elector de Brandenburgo y de los miembros del Parlamento de Ratisbona, practicó el vacío en dos semiesferas metálicas. Para intentar separarlas, ató mediante una anilla uno de los hemisferios a un grupo de caballos y el otro a un número igual, pero colocados en el sentido opuesto. Tras numerosos intentos y ante el asombro de los asistentes, fue imposible separar las mitades de la esfera.
Podemos reproducir este experimento de una forma más sencilla, tal y como muestran los dos chicos del video, pues el efecto es similar al conseguido cuando unimos por su base dos desatascadores de tubería y los presionamos uno contra otro. El vacío no es total, pero hace falta mucha fuerza para desunirlos.
En esta experiencia hemos creado una diferencia de presión entre el interior y el exterior: la presión atmosférica (exterior) es mayor que la presión en el interior y tiende a empujar los hemisferios (desatascadores) el uno hacia el otro, no permitiendo que se separen. Para separarlos, se ha de ejercer una fuerza que supere la presión que el aire de alrededor ejerce sobre los hemisferios.
Esta experiencia se puede relacionar con la meteorología. La atmósfera es un fluido gaseoso que ejerce presión sobre todos los objetos inmersos en ella, incluidos nosotros. La presión atmosférica no es igual en todas partes disminuye con la altitud (menor cuanto más alto está un lugar sobre el nivel del mar), la humedad (al aumentar la proporción de vapor de agua, que pesa menos que otros gases, la presión disminuye), y la temperatura (el aire cálido pesa menos que el aire frío). Las diferencias de presión en la atmósfera son responsables del viento, que no es más que el movimiento de masas de aire desde las regiones de presiones más altas a las de presiones más bajas hasta que la presión se iguala.
Como ya se ha señalado, el vacío es muy útil en nuestra vida cotidiana, por ejemplo, en el funcionamiento de una aspiradora, pero ¿es útil en la industria? La respuesta es sí. El vacío se puede utilizar en una gran variedad de aplicaciones industriales diferentes, desde la industria alimentaria para conservar la comida, hasta la industria química o farmacéutica para purificar o recuperar un producto químico deseado.
Este experimento ilustra de manera sencilla la relación entre fuerza y presión, pero, sobre todo, permite mostrar las características del vacío, un concepto complicado de entender teóricamente. Hay otras actividades que muestran algunas de las características del vacío, como, por ejemplo, un experimento con bomba de vacío para demostrar que en el vacío no se propagan las ondas sonoras, o cómo el agua hierve a temperaturas menores al disminuir la presión.
Curioso como un experimento tan simple, realizado con desatascadores, pode recoller un traballo tan completo. Con este experimento pódese facer referencia a un traballo histórico de fae máis de 300 anos (esferas de Magdeburgo), pódense introducir cálculos complexos relacionados cas forzas que están intervindo na actividade, pódese falar de algo tan útil e con múltiples aplicacións como son os sistemas de vacio, e pódese reflexionar sobre como funcionan aparellos tan cotiás e simples como as ventosas.
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La física pneumática se inició ya con Galileo, cuando observó que las bombas de succión no podían elevar el agua más de 10,5 m, lo que él interpretó como horror vacui, que más tarde se conocería como presión del aire atmosférico. Estas observaciones fueron la base de todos los desarrollos posteriores, entre ellos los hemisferios de Magbeburgo se que utilizaron para demostrar la existencia del vacío y la fuerza de la presión atmosférica. Pero la fuerza de retención posible de una ventosa disminuye proporcionalmente al valor de vacío a alcanzar, por eso la aplicación al nivel del mar constituye lo ideal. Esto sucede porqué la presión atmosférica depende de la altitud a la que uno se encuentre, así como de la temperatura en el lugar. Por cada 100m que se ascienden, la presión atmosférica disminuye en aproximadamente 12,5 mbar. Esta pérdida de presión tiene también sus efectos a la hora de trabajar con el vacío. Un generador de vacío que genera un 80% de vacío alcanza al nivel del mar un valor de vacío de -810mbar (presión ambiental de 1.013mbar). En cambio, a 2.000m de altitud el generador de vacío alcanza -610mbar (presión ambiental de 763mbar). La importancia del vacío no es solo por el significado físico que tiene, sino también por el número enorme de estudios y usos. Dependemos del vacío desde el proceso fundamental de respirar, hasta en los grandes adelantos industriales y científicos.
No seguinte enlace pódese visualizar un vídeo no que se reproduce o realizado en 1654 en Alemania. Paréceme, ademais, oportuno comentar que empregar ventosas, desatascadores ou outros elementos cotiáns nas experiencias prácticas na clase achega ó alumnado a ciencia.