Pressure
21 Jan, 2013
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PDFThe fakir trick
PRESENTATION: An inflated balloon stands on a horizontal bed of nails (or a wire brush), and it can be observed that a certain force exerted on it is unable to make it explode. If it should stand on a single nail, a very small force would be enough to burst it.
- Building a Better Bed of Nails Demonstration, Gordon P. Ramsey, Phys. Teach. 42, 438 (2004)
- A simple way to build a bed of nails, David P. Taylor, Phys. Teach. 34, 227 (1996)
INTRODUCTION: A bed of nails is a wooden table traversed by nails pointing up. It might seem that any object placed on it should be damaged by the nails, but this is not true. If the number of nails is high enough, the object weight is distributed among them, so the pressure exerted by each individual nail is not enough to puncture the object. The bed of nails is used by some people to meditate lying on it for instance in Asia. Very often it is related to the practices of fakirs, who perform strenuous challenges demonstrating their mental and physical endurance, as for instance by walking on fire or on glass pieces, swallowing fire or swords, or as it is the case here, lying on beds of nails.
OBJECTIVE: To show the relationship among pressure, force and surface.
MATERIALS: a wooden board, nails, four plastic tubes, a cork board, glue, two rubber balloons and any heavy object.
SETUP: First, a single nail is pinned through the wooden table. Then, the cork board is pierced, the diameter of the holes being coincident with those of the plastic tubes. The plastic tubes, passing through these holes, are glued to the wood base.
In the first experience, the inflated balloon is laced on the single standing nail, with the cork board above it, and a weight is placed on the cork table, producing the explosion of the balloon very easily. In a second stage, many more nails are pinned through the wood board, all of them pointing up, leaving a space of around 0,5 cm between them. If the experience with the balloon and the weight is repeated, we can see that the balloon can support even the weight of several books.
EXPLANATION: Pressure is a physical magnitude measuring the force per surface unit, according to P=F/S. Thus, the higher the surface area, the lower the pressure exerted. Due to the action-reaction principle, the force exerted by the body will be the same than that exerted by the nails. The force produced by each individual nail will be the weight divided by the number of nails. The nails share the object weight, and as their number increases the pressure felt by the object will decrease, and this causes the balloon not to explode, or the person not to be injured.
CONCEPTS: pressure, force, surface, Newton laws.
MORE INFORMATION:
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.
STUDENTS 2012-2013: Nerea Lema, Tania López, Abraham Alonso
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
13 responses to "Pressure"
El experimento del globo y la cama de chinchetas, me parece muy adecuado para motivar al alumnado. Se trata de un experimento tan sencillo realizar y tan curioso que, con una alta probabilidad, tratarán de repetir en su casa para mostrárselo a su familia o amigos. De esta manera se interesarán por esa materia, leerán sobre ella y seguramente, nunca la olvidarán.
Es habitual pensar en una fuerza como la causa de la aceleración de un cuerpo. Esta actividad pone de manifiesto la relación de la fuerza con el área de contacto durante una interacción, como las que observamos a diario en nuestro entorno: cuando andamos, descansamos, empujamos, comprimimos, …. Siendo creativos, se puede cambiar la cama de chinchetas por un cepillo metálico… algo más sencillo de montar/desmontar.
+info
Me parece muy ilustrativo este experimento. Sobre todo por la similitud que tiene con trucos de magia, algo que sin duda despierta la curiosidad de cualquiera y puede ayudar a captar la atención.
Creo que el vídeo es bastante llamativo y que a los alumnos les sorprenderá el resultado del experimento. A mí, sin embargo, me gusta recurrir a vídeos donde se expliquen intrínsecamente los conceptos/principios que se están llevando a cabo.
Una vez más nos encontramos ante una serie de conceptos físicos que se pueden demostrar con una gran facilidad. Empleando materiales tan sencillos como globos y chinchetas (o cepillos de alambre) se puede desmitificar un personaje tan conocido internacionalmente como los faquires. Algo que nos lleva a considerar a muchos de los artistas o gente que se dedica al espectáculo, como “estudiosos de la física”.
El funcionamiento de una prensa hidráulica, utilizada para elevar objetos pesados como los coches, puede ser otro ejemplo para ejemplificar la diferencia entre fuerza y presión (también es una aplicación práctica del principio de Pascal).Estos sistemas son multiplicadores de fuerzas, y nos permiten levantar un objeto muy pesado con una fuerza relativamente pequeña.
Este experimento es relevante para explicar a los alumnos el reparto de la presión sobre toda la superficie de apoyo por lo cual no rompe el globo. Es lo mismo que ocurre cuando un faquir se tumba sobre una cama de clavos, los cuales está colocados a la misma altura y se extienden por una extensa superficie. Si hubiese pocos clavos el faquir se pincharía.
Con esta misma lógica, un experimento también muy visual para realizar en clase con los alumnos es la comprobación del peso que pueden llegar a soportar varios huevos, por ejemplo colocando libros sobre ellos. Se puede ver en el siguiente enlace.
Dado que siempre interpretamos un huevo como un objeto frágil, a modo curiosidad, resulta relevante intentar romper un huevo apretándolo por los extremos, como se ve en este vídeo.
Con esta actividad manipulativa se pueden trabajar conceptos de presión y su distribución en el área. Cuando se dispone de un área mayor, la presión ejercida sobre el globo se reparte entre cada una de las chinchetas, por lo tanto la presión ejercida por cada una no es lo suficientemente fuerte como para dañar el globo. Sin embargo, cuando el área se reduce, estamos haciendo que la presión recaiga sobre una única chincheta, por lo que la presión por unidad e área es mayor y por lo tanto el globo se pincha.
Una forma muy visual de ilustrar el concepto de presión y me atrevería a decir que difícil de olvidar. El hecho de que la presión se reparta por la superficie tiene muchas aplicaciones que se pueden poner de manifiesto para que los alumnos vean que los conceptos analizados en el aula no son ajenos a su vida (los cimientos de un edificio, el filo de un cuchillo, el golpe de un martillo sobre un clavo…). En este enlace de Recursostic se pueden hacer ejercicios relacionados con la presión.
Es una actividad muy ilustrativa de la relación fuerza superficie. Otros experimentos parecidos se podrían realizar al poner mucho peso sobre una “cama” de huevos o de conos de papel, como los explicados en este blog.
Un experimento para demostrar esta ley fue realizada en el conocido programa de televisión “El hormiguero“, demostrando que la repartición de fuerzas hace que un material que consideramos frágil como un huevo sea capaz de resistir un gran peso.
Sería interesante que los alumnos estimasen el número mínimo de clavos necesarios para soportar el peso de un objeto determinado. En este vídeo estiman el número de clavos necesario para soportar el peso de un coche sin llegar a pinchar el neumático.
Una vez entendido este concepto, se puede reforzar con preguntas como ¿Te dolerá más que te pise un zapato de tacón o un tenis que ejerzan la misma fuerza? ¿Corta igual un cuchillo más afilado que uno que no aunque ejerzas la misma fuerza?. Todo depende de la superficie de contacto y de como se repartan las fuerzas que ejercen esta presión.
Un ejemplo es el de las botas de futbol: las de tacos con formas curvas están adecuadas para campos blandos, de hierba natural, que permitan que se claven en el suelo, y les den mayor estabilidad tanto a las rodillas como a los tobillos. En hierba sintética, estos tacos no se clavan, ni se hunden del todo, por lo que el peso del jugador se descarga sobre una superficie muy escasa y por tanto, rodillas y tobillos están expuestos a una gran inestabilidad que puede provocar lesiones graves. Por el contrario, las botas multitaco, al tener mayor número de tacos, mucho más cortos y de forma redondeada, ofrecen una superficie de descarga para el peso corporal muy alta, aumentando por tanto la estabilidad para las articulaciones de la pierna.
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