Velocidad
10 feb, 2013
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PDFEn una copa
PRESENTACIÓN: En un movimiento circular el cambio en la velocidad de un objeto implica la presencia de una aceleración que da cuenta de la variación del módulo de su velocidad y de su dirección y sentido.
- Shapes of bubbles and drops in motion, James O’Connell, Phys. Teach. 38, 232 (2000)
INTRODUCCIÓN: Si un vaso con una bola en su interior se agita en la frecuencia correcta haciéndola girar, ésta girará tanto más rápido cuanto más aumente la frecuencia de la agitación. Esta situación ilustra tanto el fenómeno de la resonancia como el funcionamiento de un sincrotrón, un tipo de acelerador de partículas en el que un voltaje aplicado, cuya mayor frecuencia se va aumentando, acelera las partículas manteniendo constante el radio de sus órbitas.
OBJETIVO: Conseguir que una bola salga del vaso superando a la fuerza de la gravedad cuando se la hace girar en su interior.
MATERIALES: vaso de plástico transparente, pequeña bola.
MONTAJE: Se introduce la bola en el vaso que se sitúa sobre una superficie plana. A continuación se hace girar la bola agitando el vaso mediante un movimiento circular cuya frecuencia se va aumentando. Si se alcanza una velocidad de rotación suficientemente alta, la bola sube por la pared del vaso hasta salir volando por la tangente.
EXPLICACIÓN: La bola puede salir del vaso porque su pared forma un cierto ángulo a con la vertical. Si la velocidad angular de rotación de la bola w supera el valor w0=[(g/r)tana]1/2, ésta sube por la pared debido a que la componente vertical de la fuerza normal a la pared está dirigida hacia arriba y excede a la fuerza de la gravedad, dirigida hacia abajo. Por lo tanto, para que la bola salga del vaso debe agitarse éste con una frecuencia igual a f=w0/2π como mínimo. En la expresión anterior, r es igual al radio de la parte superior del vaso menos el de la bola y g es la aceleración de la gravedad.
CONCEPTOS: aceleración y velocidad angular, fuerza centrífuga y centrípeta, fuerza gravitatoria, sincrotrón, ciclotrón, frecuencia, resonancia.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- 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.
ALUMNADO 2011-2012: Eloy Barcia, Jaime Castineira, Cristian Chapela, Marta Fernández
ENLACE pdf ALUMNADO:
8 responses to "Velocidad"
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).