Resistence
26 Jan, 2010
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PDFOf an egg
PRESENTATION: The force that is exerted vertically on an egg placed in the same way is transmitted through its shell and distributed around, firmly resisting any breaking attempt. A hen knows that and this is why it rests on them without breaking them. Building vaults have a similar shape and this is why they can resist heavy weights.
- Walking on eggs, Lila M. Adair and Garry C. Loveless, Phys. Teach. 35, 28 (1997)
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A pesar de que los huevos se rompen fácilmente si se nos caen al suelo o cuando los golpeamos en un lateral para hacer una tortilla, pueden soportar a su vez mucho peso cuando se aplica en la vertical de los mismos, como sucede por ejemplo durante su incubación. En este vídeo podemos observar cómo se puede caminar sobre varias docenas de huevos sin romperlos, un experimento muy similar al que podemos realizar en casa arriesgando muchos menos huevos. Para ello, cogemos tres huevos, los situamos en vertical en forma de triángulo sobre las hueveras y vamos colocando libros encima observando que los huevos no se rompen. El secreto está en la forma del propio huevo, que al igual que las bóvedas de algunas construcciones son estructuras diseñadas para aguantar una gran cantidad de peso sobre una superficie de apoyo muy baja. Es un arco de tres dimensiones; en el punto más alto del arco es donde se puede ejercer más fuerza (peso en nuestro caso), y además la forma curvada ayuda a distribuir esa fuerza de forma uniforme por toda la cáscara en lugar de concentrarla en un punto. Un lateral de esta estructura es la zona más frágil, por lo que al momento de aplicar un poco de presión, esta se rompe.
Despois de ver este vídeo podemos comprobar que se collemos un ovo ca xema dos dedos nas puntas de arriba e de abaixo e apertamos con todas a nosas forzas non se rompe pero si en lugar de apertar polas puntas apertamos por os lados ( un dedo pola dereita e outro pola esquerda) o ovo rompese. Isto é basicamente porque cando se aperta o ovo polas partes de arriba e abaixo, a forza necesaria para rompelo é maior debido a que a cascara do ovo, pola súa forma, tende a resistir a comprensión. Sen embargo apertándoo no centro esta resistencia de comprensión é menor de modo que a forza a aplicar para rompelo diminúe. É dicir o modulo de compresibilidade é maior cando apertas arriba e abaixo que cando apertas no centro. Por ese motivo na arquitectura romana obsérvanse gran cantidade de estruturas con dita forma.
De forma general, pensamos en los huevos como algo muy delicado y que se rompe con facilidad, sin embargo, a través de este experimento se demuestra que en determinadas condiciones la cáscara de huevo puede ser muy resistente. Esta resistencia se debe a la forma de los extremos del huevo, que se asemeja a los arcos y bóvedas usados en arquitectura, permite que al ejercer fuerza sobre estos, las fuerzas se distribuyan hacia los laterales, lo cual aumenta su resistencia; además la forma redondeada hace que al presionarlo, las fuerzas se distribuyan de forma uniforme por toda la superficie del huevo, aumentando su resistencia, sin embargo, cuando la fuerza es aplicada sobre un punto, lo cual ocurre cuando lo rompemos para hacer una tortilla o un huevo frito, el huevo se rompe con mucha facilidad. Un experimento similar se puede observar en el siguiente vídeo.
El principio en este caso en general se explica perfectamente de una forma clarísima en el siguiente video del programa El Hormiguero.
Una variación de este experimento para un aula de secundaria podría ser el cálculo del peso que pueden soportar tres huevos formando una base triangular (como en este vídeo) en función del grosor de su cáscara. Podría hacerse una comparativa utilizando huevos de diferentes modos de producción (gallinas criadas en jaula, gallinas criadas en suelo, gallinas criadas al aire libre y gallinas criadas al aire libre con alimento ecológico), distintos colores de huevo (blanco, pardo o azul) o distintos tamaños. Se colocaría peso encima de los huevos hasta que se rompan, y una vez rotos se mediría el grosor de la cáscara con un micrómetro. Se podría hacer así una gráfica de resistencia de los huevos en función del grosor de su cáscara y de las características que se consideren (modo de producción, color, tamaño).
En este interesante artículo comparan la resistencia de los huevos de diferentes especies de aves ¡Al parecer un huevo de avestruz puede soportar una fuerza de hasta 5000N! También estudian otros conceptos curiosos como la propagación de las grietas a lo largo de la cáscara cuando el huevo comienza a romperse, o la influencia que tiene en el proceso la estructura microscópica de cada tipo de cáscara.
Y en relación con la aplicación de este experimento en el aula, me gustaría compartir esta noticia sobre el premio concedido a tres alumnos de ESO de Zaragoza por el estudio de este mismo concepto.
Lo cierto es que el huevo es una de las obras de ingeniería biológica más extraordinarias. Por una parte, debe ser lo suficientemente resistente como para aguantar el peso del ave que lo ha de incubar, por otra, lo suficientemente frágil para permitir al polluelo romperlo desde el interior al eclosionar. Y todo ello mientras poco a poco la cáscara se adelgaza pues el embrión usa el calcio de ésta para formar su propio esqueleto.
Además, aísla del ataque exterior de bacterias y hongos a la vez que permite el intercambio de gases imprescindible para el desarrollo embrionario. Para permitir ese intercambio de gases la cáscara presenta poros microscópicos que permitirán el tránsito de oxígeno al interior y la salida de CO2 y vapor de agua al exterior. Un huevo de gallina presenta 10.000 poros y uno de emú llega a los 30.000. Todo esto, y mucho más, con múltiples aplicaciones didácticas para las clases de biología en el Instituto de Estudios del Huevo.
Esta demostración me recuerda a los faquires y las camas de clavos. La presión también es en este caso el parámetro clave. La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie (P=F/S). Esta aumenta a medida que también lo hace la fuerza, o cuando disminuimos la superficie y viceversa. Cuanto mayor sea la presión, mayor dolor sentiremos. En este caso, la fuerza se mantiene constante, y es igual al peso del faquir (m·g). Pero, ¿y la superficie? Cuando nos pinchamos en un solo clavo, la superficie es muy pequeña, pero cuando lo hacemos con 200, ésta aumenta proporcionalmente, por lo que la presión disminuirá 200 veces. Entonces, en contra de lo que pudiera parecer, cuanto mayor sea el número de clavos, menor presión habrá y, por lo tanto, menor dolor. En este vídeo se recrea la actividad citada en el comentario de manera sencilla.
Al apretar uno de los polos del huevo, presionando para bajo, la parte inferior reacciona empujando de vuelta la región de la cáscara que sufrió la presión. Es esa fuerza contraria que anula la presion ejercida, impidiendo la cáscara de moverse y, consecuentemente, de romperse. Los estructuristas que calculan los puentes deberían analizar este fenómeno que ocurre en los huevos.
Las propiedades de la cáscara de los huevos son muy interesantes para explicar la diferencia entre dureza y fragilidad, así como la importancia de las estructuras.
Por costumbre tendemos a pensar que los huevos son débiles, fáciles de romper, sin embargo son capaces de aguantar bastante fuerza. Una experiencia interesante, para poder emplear sólo un huevo, sería colocar una mano en la parte superior, otra en la inferior y apretar todo lo que se pueda, es bastante improbable que se rompa. Como se indica en el experimento, esto se debe a la forma de bóveda que tiene en ambos extremos. Las bóvedas redireccionan la fuerza que se ejerce en ellas hacia los muros, lo que implica en el caso del huevo que la fuerza ejercida en sus extremos se distribuya por todo el cascarón, haciendo que sea casi imposible romperlo sólo con las manos. En este vídeo podemos ver una variante del experimento.
Sin indagar en la documentación pertinente se me ocurre que esta forma tan interesante de los huevos tenga varias razones de ser. Por un lado ayuda en la expulsión de la madre gracias al incremento progresivo de la sección; por otro en la incubación el peso de la madre se reparte de un modo muy eficiente a la vez que el área de contacto para la transmisión de calor es elevada y eficiente con respecto al volumen contenido en el huevo.
El reparto tan eficaz de la fuerza aplicada se puede observar también en los techos en cúpula, arcos romanos o en la escafandra de un submarinista o cosmonauta.
El experimento me parece ideal para realizar en un aula de Educación Primaria, o incluso de Educación Secundaria, ya que los recursos necesarios para llevarlo a cabo son muy asequibles. Además, la manipulación de los huevos podría resultar entretenida para el alumnado y generar cierto interés en lo que a las cualidades de este tipo de formas se refiere. Finalmente, se podría hablar de los arcos y las bóvedas, puesto que es un claro ejemplo de su utilidad en la vida real.
Interesante vídeo. A forma do ovo é unha estrutura de arco que permite distribuir as cargas uniformemente, o que lles confire unha enorme resistencia a esforzos en unha das direccións do espazo. Sen embargo, entendo que neste vídeo, ademáis da capacidade resistente dos ovos, tamén inflúe o concepto de presión, como os faquires nas camas de puntas.