Speed
10 Feb, 2013
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PDFIn a cup
PRESENTATION: In a circular movement the variation of the speed of an object implies the presence of acceleration, accounting for the change of modulus and direction of the speed.
- Shapes of bubbles and drops in motion, James O’Connell, Phys. Teach. 38, 232 (2000)
INTRODUCTION: A glass containing a ball inside is agitated by turning it with the correct frequency, the ball will spin faster as the turning speed increases. This situation serves to illustrate the phenomenon of resonance and the synchrotron principle, a type of elementary particles accelerator where an applied alternating voltage of increasing frequency accelerates the particles while keeping their orbital radius constant.
OBJECTIVE: To make the ball go out of the glass counterbalancing the force of gravity by spinning the glass.
MATERIALS: a glass of transparent plastic, a small ball.
SETUP: Introduce the ball in the glass, and place it on an even surface. Make the ball rotate inside the glass by spinning it with a circular movement on the surface, whose frequency is increased continuously. If the rotating speed is high enough the ball climbs the glass walls until it jumps out of it.
EXPLANATION: The ball may escape the glass because its forms an angle a with the vertical. If the rotation angular speed of the ball w exceeds the value w0=[(g/r)tana]1/2, then than ball is able to climb the wall as the normal component of the force is directed upwards and exceeds the force of gravity, pointing downwards. So, in order to make the ball escape the glass it must be spinned with a frequency higher that the threshold value f=w0/2π. In the former equation, r represents the difference between the upper radius of the glass and the ball radius, and g stands for gravitational acceleration.
CONCEPTS: angular speed and acceleration, centrifugal and centripetal forces, gravity force, synchrotron, cyclotron, frequency, resonance.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física. Madrid: Thomson-Paraninfo, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2011-2012: Eloy Barcia, Jaime Castineira, Cristian Chapela, Marta Fernández
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
8 responses to "Speed"
Uno de los conceptos básicos presentes en este experimento es la fuerza centrípeta, que sería la fuerza que experimenta cualquier objeto en movimiento sobre una trayectoria curva hacia el interior del radio de curvatura. Esta fuerza se puede descomponer en dos componentes, una perpendicular al movimiento, que sería la aceleración centrípeta (vector hacia el centro de la circunferencia), y otra tangencial que sería paralela a la velocidad. Por ejemplo, un coche en movimiento experimenta esta fuerza centrípeta al pasar por las curvas. En el momento que la velocidad sea superior a un determinado valor, el coche perderá el agarre y se saldrá de su trayectoria provocando un accidente. Lo mismo ocurre con la copa, cuando se alcanza una velocidad determinada, la bola no puede continuar su movimiento circular dentro de la copa y se escapa de forma tangencial. A menudo este concepto es confuso para el alumnado de secundaria y bachillerato, por lo que se puede usar esta experiencia para hacer un pequeño estudio sobre concepciones alternativas y los malentendidos que surgen en relación con la fuerza centrípeta, la fuerza centrífuga y la fuerza central, teniendo que proponer una serie de actividades para corregirlas. Os dejo la referencia de un artículo ya algo antiguo sobre la dificultad en el aprendizaje de este concepto (Casedellà Reig, J., Bibiloni Matos, L., 1985, La construcción histórica del concepto de fuerza centrípeta en relación con las dificultades de su aprendizaje. Enseñanza de las Ciencias, 3: 217-224).
Algunos ejemplos de fuerza centrípeta son: la fuerza que ejerce el sol sobre los planetas y evita que estos se salgan de órbita, la fuerza de una soga sobre un cuerpo atado a ella y que gira en forma circular, la fuerza que ejercen las cadenas en un columpio cuando este comienza a moverse de forma pendular, la fuerza con la que se mantiene retenido un cuerpo en una catapulta hasta que se decide liberarlo, donde debido a la fuerza tangencial sale disparado a gran velocidad, la fuerza del núcleo de un átomo sobre los electrones, etc.
Algunas de las aplicaciones de la fuerza centrípeta en nuestra sociedad se dan por ejemplo en ingeniería civil para calcular el ángulo de los peraltes de una carretera, o en la industria es muy utilizada la fuerza centrípeta, por ejemplo, las lavadoras utilizan este principio para hacer que las prendas se muevan en círculos.
El concepto de fuerza centrípeta es difícil de entender para el alumnado, siendo necesario poner muchos ejemplos: coche al tomar una curva, cuerpo girando en un plano vertical (punto mas alto, mas bajo y otros), explicando que en cada caso la fuerza centrípeta no es la misma ,pero es siempre igual a la masa por la aceleración normal, y que si el cuerpo no cae en el punto más alto es precisamente pot tener velocidad y que esa velocidad es siempre tangente. En la experiencia de la bola en la copa, al final, al sacar la copa , se ve muy bien como esa velocidad es tangente.
Personalmente me gusta este experimento para iniciar una clase con un truco de magia. ¿Seré capaz de mover esta bolita de una mesa a la otra sin tocarla con las manos? La base del aprendizaje es la curiosidad, y, con ella, la sorpresa. ¿Por que no emplearlas para crear interés en el alumnado?
Durante una clase en la que se quiera demostrar la fuerza centrípeta, creo que a continuación de este experimento se podría realizar el siguiente de este vídeo ya que sorprendería al alumnado y ayudaría a despertar mayor interés en los fenómenos que explica la física. En él, se puede observar como el agua que contiene un vaso no se derrama mientras este mantiene la velocidad necesaria.
Esto mismo ocurre en las cadenas o sillas voladoras de los parques de atracciones. La fuerza centrífuga que sufren las sillas hacia el exterior cuando la atracción empieza a girar provoca su elevación. También se puede apreciar cómo las sillas situadas en la parte exterior del círculo se elevan más que las de la parte interior, ya que la fuerza es dependiente del radio del círculo.
Experimento muy sencillo del efecto de la fuerza centrifuga, en este caso creada al mover la bola girando el vaso a una frecuencia específica, cada vez mayor. Fenómeno tan familiar como el de centrifugar la ropa en la lavadora, y la fuerza que ésta siempre al girar el tambor haciendo que se pegue a las paredes internas. Otro ejemplo similar sería el de este vídeo , en el que también conseguimos hacer ascender unas bolas a través de la fuerza centrífuga. También podemos inspirar a nuestros alumnos a que reten a sus familiares con juegos como este.
Un experimento muy sencillo, fácil de ejecutar y más fácil de entender al observar cómo la bola se hace girar en el interior del vaso realizando un movimiento circular cuya frecuencia vamos aumentando, y conseguimos que velocidad de rotación suficientemente alta para que la bola pueda subir por el vaso e incluso salir volando por la tangente. Muy interesante la aplicación de este experimento llevado a la realidad con el SINCROTON (acelerador de partículas).