Presentación de los experimentos

Vídeo de muestra del procedimiento completo de los experimentos investigados.

Principio de Arquímedes & Transferencia de calor.

Marco teórico

Principio de Arquímedes

Toda cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (fuerza de empuje) igual al peso del fluido desplazado Para un cuerpo que está totalmente sumergido la fuerza de empuje no depende de la profundidad, aunque la presión sí dependa de ella. También se puede decir que depende de su densidad. 

Al poner aceite en un recipiente con agua el aceite flota porque su densidad es menor, en cambio si el recipiente contiene alcohol el aceite se hunde ya que su densidad es mayor. 

Cuando mezclamos agua con alcohol se alcanzó una densidad aproximada a la del aceite por lo que al combinarse se buscó equilibrio en una zona intermedia, lo cual permitió que al cambiar la temperatura pudieran fluir.

Transferencia de Calor

La transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta temperatura, a otro objeto con temperatura más baja. La transferencia de calor cambia la energía interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica. 

En el experimento observamos que la trasferencia de calor es por convección. Convección del Calor.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del enfriamiento de Newton:

Experimento: Lámpara de lava casera

Materiales

1. Agua
2. Alcohol
3. Aceite
4. Marcador
5. Lata
6. Vela
7. Frasco

Procedimiento:

1. Se extrae la parte interior del marcador para poder extraer la tinta y se pinta el agua. 

2. Se pone una pequeña cantidad de alcohol en el frasco con cinco gotas de aceite. 

3. Se agrega una cantidad menor de agua cuidando que el aceite no ascienda hasta la superficie. 

4. Cuando estén en equilibrio se procederá a agregar más agua, la mezcla de agua con alcohol tiene que ocupar menos de la tercera parte del frasco. 

5. Se llena el resto del frasco con aceite y se deja reposar hasta que se encuentre totalmente separado. 

6. Mientras, se le realizan varios orificios a la lata y se inserta la vela, esto es para que el aire circule y no se apague la mecha. 

7. Ya que la mezcla está separa y la mecha lista se coloca el frasco sobre la lata para que tome temperatura. 

8. Transcurrido medio minuto se apreciara el movimiento al interior de la lámpara casera. 

¿Como funciona?

La convección es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, tal como el aire o el agua. Cuando estos se calientan se mueven hacia fuera de la fuente de calor, transportando consigo la energía.

La convección puede originar la circulación de un líquido. El agua caliente se expande y se hace más ligera. El fluido más frío, cerca de la superficie es más denso y desciende. Con ambos movimientos se forma un patrón de circulación, tal como se observa en el movimiento de la lámpara. 

Fluídos

Marco Teórico

Viscosidad

Esta propiedad es una de las más importantes en el estudio de los fluidos y se pone de manifiesto cuando los fluidos están en movimiento. La viscosidad de un fluido se define como su resistencia al corte. Se puede decir que es equivalente a la fricción entre dos sólidos en movimiento relativo. Cuando deslizamos un sólido sobre otro, es preciso aplicar una fuerza igual en dirección y magnitud a la fuerza de rozamiento pero de sentido opuesto:

donde (m) es el coeficiente de rozamiento y () es la fuerza normal, para que el sólido se mueva con velocidad constante () en dirección, sentido y magnitud.

Polímeros y fluídos no-newtonianos

La materia aparece en tres estados fundamentales que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Cada uno de ellos depende de las fuerzas de cohesión entre sus partículas; en sólidos y líquidos éstas son muy altas, sólo que en los sólidos son algo mayores, por lo que sus partículas no pueden desplazarse sólo vibrar. En los líquidos sí se desplazan, por lo que pueden fluir, lo que les otorga que puedan cambiar de forma. Con lo que los sólidos poseen forma fija y los líquidos no...

Los fluidos newtonianos son todos aquellos para los que la viscosidad (resistencia a fluir) es constante con la temperatura como el agua, el alcohol, etc, mientras que los fluidos no-newtonianos son sustancias que pueden comportarse como sólidos y líquidos, dependiendo de la presión a la que se les someta. Su viscosidad  es función de la tensión a las que se les someta. Un fluido no newtoniano que encontramos en la cocina es el ketchup: generalmente ocurre que al volcar el recipiente de ketchup el contenido no salga, no se vierta. Es necesario agitar fuertemente para que el contenido se vierta con facilidad. Ocurre que la viscosidad del fluido disminuye al agitarlo, promoviendo el movimiento de las moléculas entre sí.

Las sustancias con las que vamos a hacer el estudio de la forma son polímeros en su mayor caso. Los polímeros están formados por largas cadenas de miles de moléculas pequeñas que se repiten, como las cuentas de un collar. Según el tipo de molécula, la longitud de las cadenas, la unión de esas cadenas entre sí para formar estructuras tridimensionales, etc., tendremos un polímero líquido o sólido, con distintas propiedades.

Los polímeros se pueden clasificar:

• Según sus caracteres químicos
• Según su estructura 
• Según su procedencia
  
   Naturales: se encuentran en la naturaleza, como celulosa, madera, proteínas etc.
   Artificiales: han sido sintetizados industrialmente.

Sin embargo esta clasificación no es clara, puesto que muchos polímeros naturales o bien pueden reproducirse en el laboratorio o son base de ulteriores manipulaciones.

•  Según sus propiedades termodinámicas

Los termoplásticos adquieren plasticidad, de ahí su nombre, al ser calentados lo que permite su conformación por técnicas relacionadas con el calor. Sus cadenas no están ramificadas. Por el contrario, los termoestables no tienen esta propiedad y al calentarse lo más normal es que acaben descomponiéndose. Se trata de cadenas muy ramificadas y entrecruzadas. Elastómeros son los derivados o sustitutos del caucho. Su propiedad característica es la elasticidad.

Experimento: Slime magnético

Objetivo: Observar cómo se comporta un fluido no-newtoniano

Materiales

• Dos recipientes de vidrio (uno para manejar la mezcla y otro para disolver el bórax en agua)
• Resistol blanco*
• Agua
• Bórax en polvo
• Limadura de algún metal
• Una cuchara cafetera
• Un imán**

*De preferencia un resistol que tenga buena calidad

** Es preferente que se emplee un imán más o menos potente

¿Cómo funciona?

Se obtiene una reacción endotérmica, porque al mezclar las soluciones de pegante y bórax estos generaron que el producto final (slime) obtuviera mas energía. El bórax permite que el slime se vuelva grueso, ya que al mezclar la solución de bórax con la del pegante, el bórax genera una capa fuerte sobre la cadena de polímeros del pegante, reduciendo su elasticidad y aumentando su espesor. Gracias a el agua se logra que el slime quede bien mezclado ya que ayuda en las dos soluciones formadas al principio.

Se resbala entre los dedos cuando lo tocas, sin embargo, no se pega a la piel. Se presenta en una variedad de colores, generalmente de color verde. A veces actúa como un líquido, pero en otras ocasiones actúa como sólido. Se puede hacer brillar en la oscuridad, o hasta ser fluorescente bajo la luz oscura. En este caso se optó por un slime magnético por el efecto óptico que causa en este un imán. Y aunque los resultados no fueron los esperados, se puede optar por crear un polímero sin la limadura de algún metal.

Bibliografía

http://es.slideshare.net/MnicaAlejandra2/slime-12111062
https://prezi.com/c_qn62mcqcsq/la-ciencia-del-slime/
http://sef.xena.ad/lcf/mars2010/polymeres/Polimeros.htm
http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/VISCOSIDAD.htm

Este experimento, originalmente se sacó de:
https://cerebrodigital.org/receta-preparar-slime-magnetica-casa/

Transformación de la energía y la ley de la conservación de la energía

Marco teórico.

Ley de la conservación de la energía.

La ley de conservación de la energía, también conocida como primer principio de la termodinámica es una de las leyes fundamentales de la física y su teoría establece que “aunque la energía se puede convertir de una forma a otra no se puede crear ni destruir” 

La energía es la capacidad de los cuerpos o sistemas de cuerpos para efectuar un trabajo. Todo sistema que pasa de un estado a otro produce fenómenos físicos o químicos que no son más que manifestaciones de alguna transformación de la energía, pues esta puede presentarse en diferentes formas: cinética, potencial, eléctrica, mecánica, química. Siempre que se produzca una cantidad de una clase de energía se deberá consumir una cantidad exactamente equivalente de otra clase o clases.

Cuando un sistema se encuentra en un estado particular se caracteriza por un valor de su energía interna que es la sumatoria de la energía cinética y potencial de todas las partículas que componen el sistema. Al tomar la energía interna como un todo, no es necesario especificar los diferentes tipos de energía intrínsecos de las partículas componentes. Esto significa que cualesquiera que sean las interacciones del sistema con los alrededores, la energía que este cede o recibe de ellos se traduce exclusivamente en un aumento o disminución de su energía interna (U) lo cual simplifica extraordinariamente el estudio del sistema y sus interacciones. La energía interna (U) se mide en Joule (J).

Experimento: 

Objetivo: Demostrar que la energía potencial puede transformarse en energía cinética y viceversa.

Materiales

1.  Una botella de plástico
2. Cinta adhesiva
3. Dos pelotas saltarinas de goma (una más pequeña que otra)
4. Tijeras

¿Cómo funciona?

En este experimento de física, lo que ocurren son transformaciones de energía.

Cuando elevamos la pelota pequeña hasta la altura “A”, generamos un trabajo sobre ella el cual queda almacenado como energía potencial. La fórmula para calcularla tiene la siguiente forma:

Ep=energía potencia; m=masa; g=aceleración de la gravedad; h=altura “A” (en este caso en particular)

Cuando la soltamos, toda esa energía se va convirtiendo en energía cinética, a medida que la pelota se acelera, aumenta su velocidad y se acerca al piso. La fórmula con que se calcula la energía cinética es la siguiente:

Ec=energía cinética; m=masa; v=velocidad del cuerpo en un instante dado

Cuando la pelota choca el piso, toda esa energía de movimiento (energía cinetica) se transforma en energía elástica, es decir, la goma se comprime y es allí donde se almacena la energía. Dicha energía es devuelta, y es por eso que la pelota se acelera nuevamente hacia arriba, hasta una determinada altura.

Si todo fuese ideal y “perfecto” la altura de rebote debería ser igual a la altura “A” desde donde la soltamos. Pero en todo proceso real hay “pérdidas”, y en esta caso en particular parte de la energía cinética se transforma en calor al momento del impacto.

Ahora analicemos el caso en que soltamos ambas pelotas desde la misma altura “A”. No cabe duda que al ser mayor ahora la masa total, hay mas energía potencial almacenada. La velocidad al momento de tocar el piso será la misma que cuando soltamos la pelota sola, pues esto se debe solamente a la aceleración de la gravedad, la cual no varía. Pero si habrá más energía cinética, obviamente porque la masa es mayor.

Toda esa energía se transforma en energía elástica al momento del impacto, y es luego liberada, pero la disposición de una pelota sobre la otra impide que la mayor rebote. ¿Y qué sucede entonces con la energía de ella? Esta energía es transferida a la pelota mas pequeña. Ello explica porque la altura de rebote es mayor que la altura “A” desde la cual se soltó el sistema. Recuerda siempre lo siguiente:

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma

Es justamente por lo anterior, que cuando soltamos solamente la pelota pequeña, la misma nunca podrá alcanzar al rebotar una altura mayor a la “A”, ya que sino estaríamos “creando energía”, lo cual es imposible.

Como dijimos antes, en los procesos reales parece que ésto no ocurre (conservación de la energía), pero en realidad lo que sucede es que parte de la energía suele transformarse en calor, luz, sonido, etc.

Dependiendo de la dificultad con que desees preparar estos experimentos de física, puedes realizar cálculos para ver qué porcentaje de la energía se ha transformado en calor (despreciando la resistencia del aire).

·         Bibliografía

• http://www.ecured.cu/Ley_de_conservaci%C3%B3n_de_la_energ%C3%ADa
• http://www.correodelmaestro.com/publico/html5042014/capitulo3/capitulo_03.html
• http://www.experimentosdefisica.net/experimentos-sobre-transformacion-de-energia/

Breve presentación

Sobre el proyecto de Emired, Jhou y Carmina...

Este blog contiene tres experimentos fáciles de hacer sobre la materia de Física IV. Cada experimento tiene relación con varios tópicos de la materia antes mencionada.