El
empuje de Arquimedes
Porque Arquimedes dijo eureka?
Imaginá que pesáste una piedra
en una balanza. Ahora suponé que la balanza y la piedra se
trasladan al fondo de una pileta con agua. Bueno, seguramente
exclaramarás eureka o algo parecido ya que la balanza
te dirá que piedra debajo del agua "pesa" menos.
MATERIALES: una varilla de madera,
hilo de barrilete, un vaso de plástico, una piedra, una fuente
profunda con agua, un recipiente de cocina para medir líquidos.
PROCEDIMIENTO:
En realidad no es que la piedra
sumergida pese menos. Pesa exactamente lo mismo que fuera del
agua, lo que sucede es que el agua ejerce sobre la piedra una
fuerza hacia arriba que se denomina empuje. Esta
fuerza, que "tira" de la piedra para arriba hace que la
balanza sumergida marque menos. Con esta experiencia
comprobaremos la existencia del empuje y lo mediremos. Pero para
eso tenemos que construir primeramente una balanza.
| Toma la
varilla de madera. Encontrá su punto medio y ata un
trozo de hilo de barrilete. En un extremo ata un hilo del
que cuelgue la piedra. Del otro extremo ata un trozo de
hilo del que cuelgue el vaso plástico. Ahora ata el hilo del medio de
algun punto alto. El peso de la piedra hace que la
varilla quede vertical y el extremo del vaso mas alto. A
medida que agregues agua al vaso la varilla se irá
inclinando hasta llegar a la posición horizontal. Cuando
llegues a este punto de equilibrio el peso de la piedra
es igual al peso del vaso con agua. Si ponés mas agua la
varilla se inclinará indicando que el peso del vaso con
agua es mayor que el de la piedra. En ese caso, extrae el
agua excedente con la ayuda de un sorbete o cuentagotas
hasta reestablecer el equilibrio (ver figura superior).
Ahora con cuidado sumerge
la piedra en una fuente con agua sin que toque el fondo.
La varilla de la balanza se inclinará indicando que el
vaso con agua pesa mas que la piedra! (ver figura
inferior). Ya dijimos que la responsable de este efecto
es la fuerza de empuje del agua de la fuente sobre la
piedra.
Para tener una idea de
cuan grande es esta fuerza, hacemos lo siguiente: con el
gotero extraemos cuidadosamente agua del vaso y la
volcamos en otro vaso o alguno de esos recipientes para
medir líquidos que suele haber en la cocina. Seguimos
extrayendo hasta que nuestra balanza indique que el peso
del vaso con agua es igual al de la piedra sumergida. Es
importante que en todo el experimento la piedra esta
totalmente sumergida y que no toque el fondo.
Bueno, el agua extraida
del vaso tiene un cierto peso , ese peso es exactamente
igual a la fuerza de empuje que buscábamos. Mas aún, si
el recipiente nos permite medir el volumen de agua
entonces ese volumen es exactamente igual al volumen de
la piedra. Mas o menos esto es lo que descubrió
Arquímedes.
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Esta explicación no te satisface, es inentendible o
crees que es erronea. escribime
Ver otro experimento
Gotas
muy bien organizadas
MATERIALES: una placa de vidrio o
acrílico transparente de 20 x20 cm (o más), una bandeja de
menos de 20 cm de lado y algunos centímetros de profundidad,
agua, aceite, gelatina, cualquier liquido que encuentres en la
cocina, un nivel de albañileria (opcional)
PROCEDIMIENTO: Vamos a estudiar
como se forman las gotas y como se organizan siguiendo un patrón
muy regular mediante un experimento muy pero muy sencillo.
- Coloca la placa de
vidrio o acrílico sobre la bandeja. Si tenes un
nivel de albañil utilizalo para verificar que la
placa este bien horizontal. El resultado del
experimento depende mucho de este factor.
- Disolvé algunas
cucharadas de gelatina coloreada en agua caliente
y dejá enfriar un rato hasta que el líquido
adquiera cierta "viscosidad". Es
importante disolver todos los grumos y que el
líquido presente un aspecto límpido y
transparente.
- Volcá dos o tres
cucharadas del preparado sobre la placa de
vidrio. Usa la misma cuchara para
"desparramar" el líquido y formar una
capa circular de 15cm de diámetro. No tienen que
quedar agujeros en la capa. Espera 10 minutos a
que el espesor de la capa se homogeneice.
- Ahora gira la placa
de modo que la capa de líquido quede
"mirando" para abajo y apoyala sobre la
bandeja. Es conveniente verificar previamente que
cuando das vuelta la placa también quede
nivelada.
- Lentamente, se van a
formar gotas de gelatina líquida.
- Vas a observar que
las gotas "evolucionan": algunas crecen
y finalmente caen, otras se mueven y se acercan
entre si, es posible que dos o mas gotas
colapsen, es decir se junten y formen una gota
mas grande que debido al peso se termina cayendo.
- Si la superficie esta
muy bien nivelada, es posible que en algunos
lugares de la placa las gotas se
"organizan" formando cuadrados o
hexágonos.
- Si esperas un rato,
la gelatina se solidifica por lo que el dibujo de
gotas va a quedar "congelado". Si en tu
casa tenes un scanner podes utilizarlo para
obtener imágenes de tus gotas como hice yo
(fotos de la derecha)
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Para la foto de arriba
se usaron
dos cucharadas de gelatina líquida,
la placa esta levemente
desnivelada.
Para la foto inferior se
usaron
tres cucharadas y la solidificación
se "aceleró" colocando una bolsa plastica con
hielo sobre la placa
de vidrio.
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- Podés ensayar con líquidos
diferentes, una buena opción es utilizar aceite de
cocina. El procedimiento es similar, el secreto es que la
capa sea muy fina y cubra uniformemente la superficie de
la placa.
Porque se forman gotas?:
Inestabilidad de Rayleigh-Taylor o Inestabilidad gravitatoria
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Supongamos
que ya hemos dado vuelta nuestra placa de vidrio con el
fluido y que por alguna razón la superficie del fluido
se deforma convándose levemente como indica la figura
superior. Estamos viendo solo una pequeña porción de la
placa. El líquido comenzará a fluir hacia esa región
como indican las flechas azules. Debido a esto, el
volumen de la "panza" de líquido crece y
debido al peso, la curvatura aumenta como muestra la
figura del medio. Ahora
bien, al mismo tiempo que esto ocurre, la superficie del
fluido se "estira" como si fuera una malla que
contiene al fluido y evita que se caiga (ver por ejemplo:
"agua en la moneda"). Las flechas rojas indican el
sentido de la fuerza que realiza esta malla. Usualmente
se denomina a esta fuerza tensión interfacial.
Como se desprende del esquema, pareceria que la malla
"desea" estar lo mas plana posible.
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Hay por lo tanto, dos efectos que
compiten: por un lado la gravedad tira del fluido hacia abajo y
tiende a aumentar el volumen de la gota, este efecto es desestabilizante,
por el otro lado, la tensión interfacial contiene al fluido y
evita que caiga, por lo tanto su efecto es estabilizante.
Si la capa de fluido sobre el
vidrio es suficientemente gruesa, el flujo hacia la gota
(representado por las flechas azules) continua y la gota crece
tanto que la tensión interfacial no la puede contener más. En
ese caso una gota se desprende y cae. Ganó el efecto
desestabilizante.
Pero si la capa de fluido es
suficientemente fina el flujo hacia la gota se detiene cuando se
alcanza un equilibrio entre el peso de la gota y la tensión
interfacial. El flujo hacia la gota se detiene porque la capa no
tiene suficiente fluido y los bordes de la gota estan muy
delgados como para permitir que el flujo continue. Ganó el
efecto estabilizante, esto último es lo que vemos en la figura
inferior.
Esta explicación no te satisface, es inentendible o
crees que es erronea. escribime
Ver otro experimento
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La tela de agua
La superficie del agua es como una
tela muy resistente y flexible. Ya hemos visto en esta misma
página otros experimentos en donde esta propiedad del agua es
puesta en evidencia. Vimos que la "tela de agua" es
capaz de evitar que se derrame el agua sobre una moneda (click acá)
o de impedir que se caiga la gota que cuelga sobre un techo o una
canilla (click acá). A este
propiedad se la denomina tensión interfacial.
Es posible modificar la tensión
interfacial del agua agregándole un poco de detergente. Veamos
que efectos produce esta modificación en una experiencia muy
sencilla.
MATERIALES: un plato hondo, agua,
detergente, un gotero (opcional).
PROCEDIMIENTO:
- Vierte agua en el plato
hondo.
- Con un gotero dejá caer en
el centro del plato con agua unas diez o quince gotas de
aceite (ver figura de la izquierda). Espera unos
instantes a que la gota se desparrame y se quede mas o
menos quieta. Si podés tratá de medir el radio de la
gota de aceite.
- Ahora agregá al agua una
pizca de detergente, con una gotita va a estar bien.
- Vas a observar que la gota de
aceite se achica como muestra la figura de la derecha.
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Gota de aceite en plato
con agua.
El agua está coloreada para mejor
visualización |
Disminución de la gota
de aceite
luego de agregar una gotita de
detergente |
Que sucedió:
De acuerdo a lo que dijimos al
principio la superficie del agua se comporta como una tela
flexible. Esta tela "estira" a la gota de aceite tanto
como puede. Pero hete aqui que la gota de aceite se
"resiste" a ser estirada y "tira" hacia
adentro tratando de mantenerse "chiquita", tanto como
le es posible. Al final se llega a una situación de equilibrio
entre estas dos tendencias representada en la figura de la
izquierda.
El detergente tiene la propiedad
de disminuir la tensión interfacial del agua, es decir, cuando
agregamos detergente la tela se debilita y ya no puede estirar
tanto como al principio. Ahora bien, la gota de aceite sigue
tirando hacia adentro igual que antes por que el detergente no le
hace nada y por lo tanto en esta condición puede achicarse un
poco, como se representa en la figura de la derecha.
Que pasará si invertimos el
experimento? Poné aceite en el plato y agregá unas gotas de
agua. Ahora agregá una pizca de detergente en la gota de agua y
observá que pasá. Se agranda o se achica?
Esta explicación no te satisface, es inentendible o
crees que es erronea. escribime
Ver otro experimento
Anillos
de humo
Materiales: uno o dos potes
plásticos de yogurt, plastilina, sahumerio.
Procedimiento:
- Necesitás un pote
vacio de yogurt, preferentemente los que tienen
tapa de plástico (ver figura).
- Practicá un orificio
de un centímetro de diámetro en la tapa
transparente.
- Adhiere un trozo de
plastilina en el fondo del pote plástico. Ese va
a ser nuestro porta-sahumerio.
- Coloca en el
portasahumerio, un trozo de sahumerio de unos 10
cm de longitud.
- Encende el sahumerio
y ponele al pote la tapa transparente. Espera
unos instantes a que se junte un poco de humo en
el recinto. Ya tenes tu generador de anillos de
humo.
- Toma el generador de
anillos como si fuera un vaso y apretalo
levemente, eso hara que el aire en el interior
salga despedido a gran velocidad generando un
anillo. Podras ver facilmente este anillo puesto
que el aire interior esta mezclado con el humo
del sahumerio.
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Las figuras que siguen son algunos
anillos de humo obtenidos con el generador de la foto. Se ven
mucho mejor si los iluminas con una luz potente.
Es importante que no haya
corrientes de aire, puesto que estas estructuras son muy fragiles
y cualquier perturbación las destruye.
Con buena iluminación hasta es
posible "ver" la estructura interna de un anillo y
comprobar que el flujoen su interior se organiza en capas. En
otra sección de esta página podes ver una foto de la estructura
interna del anillo tomada en un laboratorio, tambien un video que
muestra el choque de dos anillos (click acá).
También es interesante estudiar
la longitud rectilinea que un anillo puede avanzar hasta que
comienza a "desarmarse". Vas a comprobar que los
anillos avanzan una longitud mayor cuanto mas fuerte apretás el
pote.
Se te ocurre que aplicación
práctica puede tener este dispositivo?
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