Física Interactiva: Fluidos by Orlando B Escalona T

http://evem-merida.blogspot.com/

I FLUIDOS

CONTENIDO

Teoría 1. Introducción 2. La materia y sus propiedades 3. La materia fluye 4. El cuento de la corona del Rey Hierón

Experimentos 5. Flotación de objetos en el agua 6. Empuje y peso 7. Levitación en solución salina 8. Ludión o diablillo de Descartes 9. Flotación de líquido en líquido 10.

Modelo hidrostático del sistema solar

11.

Flotación de burbujas en gas.

Anexos

INTRODUCCIÓN Se trata de un Taller dinámico, totalmente experimental, no son "clases tradicionales de física", es un encuentro interactivo donde se analiza el porqué de las cosas, de los fenómenos que nos rodean. Partiendo de ello, los conceptos físicos se aclaran y el proceso de enseñanza-aprendizaje de la ciencia se convierte en una experiencia vivencial. En cada sesión se presentan y analizan experimentos divertidos que exhiben procesos físicos relacionados con el quehacer científico-tecnológico mediante la estrategia del reto o desafío que conllevan al conflicto cognitivo a fin de inducir el planteamiento de preguntas y sus respectivas respuestas.

El taller en sí, se convierte en un ambiente pedagógico donde se incentiva el amor por el estudio de las Ciencias Naturales, la Tecnología y la Matemática, y donde se desarrollan las capacidades cognitivas de niños, niñas y adolescentes.

Se mostrarán muchos experimentos sencillos de Física de los temas de fluidos, electrostática, electromagnetismo y equilibrio mecánico, fácil de replicar en el hogar y la escuela.

El primer Taller trata de fluidos. Se inicia con los conceptos de vacío y lleno y se discute que tienen otros significados en física. Se clasifican los materiales según las propiedades termodinámicas que les permiten sus estados de agregación molecular. Qué el sistema en cuestión está constituido por sustancias diferentes en estados sólido, líquido o gaseoso.

De los objetos suministrados, todos se hunden en el aire mientras otros se hunden o flotan en el agua. Oportunidad propicia para lidiar con los conceptos de masa, peso, fuerza de empuje y equilibrio mecánico. Observarán que el aire ocupa un espacio. Aprovecharán la propiedad de flotación que tienen algunos objetos para sacarlos del envase. Finalmente, se podrán precisar las propiedades los estados de agregación de la materia, el concepto de densidad de una sustancia, y las condiciones de flotabilidad o no de los cuerpos. Se les puede aproximar al concepto de fuerza de empuje a través de la comparación de las densidades del agua y de los objetos sumergidos; también mediante la comparación del peso del cuerpo sumergido con el peso del agua que ha desplazado. Se realizan una serie de experimentos de flotación de cuerpos en el agua y una solución salina. Se sugieren algunas aplicaciones: a) Globos aerostáticos, peces, submarinos y barcos. Ascensión de aire caliente en la atmósfera y flotación de una persona en agua dulce y salada. b) El ciclo del agua en la atmósfera. d) El comportamiento de dos placas tectónicas cuando se encuentra.

TEORÍA

La materia y sus propiedades Vivimos en un mundo constituido por materia y energía. La materia la podemos detectar con nuestros sentidos (ver con nuestros ojos, palpar mediante

tacto,

olfatear

con

nuestras

fosas

nasales).

Desde

la antigüedad el hombre se ha planteado descifrar cómo está constituida la materia. En los siglos V y IV a.C. Leucipo y Demócrito postulan que la materia está conformada por partículas individuales que se diferencian entre sí por su forma, tamaño y disposición espacial, a las que llamaron átomos por significar indivisible. Sin embargo, fue en el siglo XIX que John Dalton propuso que cada elemento químico correspondía a un átomo de materia. Desde entonces se ha avanzado mucho sobre el conocimiento de sus componentes y propiedades. Hoy en día, la hipótesis más aceptada por la ciencia es que la materia está constituida por átomos y qué estos se asocian en moléculas; la agregación de átomos o moléculas individuales forma la materia de los objetos. Además, los átomos tienen componentes más elementales como los electrones, protones y neutrones. Aún más, algunas de estas partículas tienen estructura. En 1964 se encontró una sub partícula más elemental que las partículas anteriores y la denominaron quark. Son seis quarks con propiedades diferentes. Dos de estos (u y d) son los componentes constitutivos de los neutrones y protones que integran el átomo. El quark u (up) tiene carga negativa y su valor es un tercio de la carga del electrón (-1/3 e); el quark d (down) tiene carga positiva y su valor es de dos tercios de la carga del electrón (+2/3 e). A continuación se esquematiza, a grosso modo, cómo tres quark (el color representa sus diferencias) conforman a las partículas elementales denominadas neutrón y protón. Entre otras propiedades, el protón tiene carga eléctrica positiva;

neutrón

carece

carga eléctrica. Neutrones y protones estructuran el núcleo de los átomos. A su vez, alrededor del núcleo se encuentran girando los electrones los cuales tienen carga eléctrica negativa, contraria a la carga del protón pero de la misma magnitud (cantidad). En consecuencia, como todos los átomos tienen la misma cantidad de protones que de electrones, sus cargas eléctricas son

cero,

decir,

son

eléctricamente

neutros.

Los átomos cuando se agrupan forman moléculas como por ejemplo la molécula de cloruro de sodio (sal común) y a la vez la agrupación de moléculas forman, en algunos casos, estructuras cristalinas (cristal de sal).

Dos quarks d y un quark u, unidos a través del intercambio de gluones, forman el neutrón.

Dos quarks u y un quark d, unidos a través del intercambio de gluones, el protón.

Secuencia de la estructura de la materia. Del Quark hasta la conglomeraciĂłn de molĂŠculas que forman los objetos materiales.

La materia tiene propiedades que la caracterizan y establecen diferencias entre

los

diversos

materiales.

Estas

propiedades

dividen

en intensivas y extensivas. Intensivas, sí son independientes de la cantidad de materia y del tamaño; extensivas, sí dependen de la cantidad de materia y del tamaño. Todos los objetos constituidos de materia ocupan un espacio en el lugar donde se encuentran. Este espacio se caracteriza mediante la magnitud denominada volumen y se mide en litros (L), onzas (onz), mililitros (ml), entre otras unidades. La cantidad de materia contenida dentro del volumen ocupado se conoce como masa; esta se mide en kilogramos (Kg), gramos (g), etc. La masa de un determinado objeto es la suma de las masas de todas las partículas elementales que constituyen sus átomos porque, cada una de ellas (electrón, el protón y el neutrón) contiene su masa particular. Volumen y masa son propiedades extensivas. Al cortar una naranja por la mitad, su volumen y masa se reducen en la misma proporción. En el Universo se conocen 94 átomo naturales, más unos cuantos artificiales creados en los laboratorios. Los elementos con número atómico del 95 al 118 fueron sintetizados en el laboratorio mediante reacciones nucleares de fusión entre elementos más ligeros; el 30 de diciembre de 2015 la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) confirmó la existencia de los elementos 113, 115, 117 y 118. Por ser inestables, todos los elementos creados artificialmente tienen un tiempo de vida muy pequeño, y se desintegran rápidamente en otros elementos estables. Cada átomo particular se caracteriza por tener un número específico de electrones, protones y neutrones. Así por ejemplo, el oxígeno tiene 8 neutrones, 8 protones y 8 electrones; el oro tiene 118 neutrones, 79

electrones

protones.

Por

tanto,

cantidad

total

de partículas elementales determina la masa de cada átomo. En conclusión, los constituyentes más elementales de la materia son los quarks y los electrones. Aún más, la comunidad científica acepta abiertamente que toda la materia ordinaria, la materia másica de nuestro Universo está constituida por electrones, quarks y neutrinos (otra partícula); y que existe otro tipo de materia conocida como materia oscura, constituida por una partícula hipotética (aún no descubierta) denominada WIM (weakly interacting massive particles; partícula masiva de interacción débil) sin carga eléctrica, con masa que podría estar entre 10 y 100 veces la masa del protón y que interacciona con el resto de partículas mediante la fuerza débil. Una de las diferencia entre estos tipos de materia, es que la ordinaria emite luz y la oscura no. Se considera que el 20% del Universo esta constituido por materia ordinaria y el 80% es de materia oscura. La materia tiene otra serie de propiedades (intensivas) que la caracterizan como son temperatura, dureza, elasticidad, porosidad, olor, sabor, color, entre otras, que se mantienen iguales aunque varíe la forma, el volumen y la masa del objeto material que estemos manipulando. Estas propiedades

establecen características muy

particulares

entre

los

materiales y permite diferenciarlos entre sí. Entre otras tenemos la densidad que determina la masa M contenida en la unidad de volumen V y que se mide en unidades de kilogramos (Kg) por metros cúbicos (m 3) o gramos (g) por centímetros cúbicos (cm3) , por ejemplo. Es decir,

En la siguiente tabla se tiene algunos valores de las densidades de los materiales más cotidianos.

Densidad de algunos materiales

Una lectura rápida de la tabla anterior permite concluir que un centímetro cúbico (cm3) de agua contiene una cantidad mayor de materia que un centímetro cúbico de anime; un centímetro cúbico de acero tiene una masa mayor que un centímetro cúbico de aluminio. Por igual, un litro (lit) de agua tiene una masa menor que un litro de plomo. De todos los elementos de la lista, es el oro el que tiene mayor densidad y por lo tanto un litro de oro tiene la masa mayor. De esta manera podemos comparar las densidades de los cuerpos. La diferencia existente entre las densidades de los materiales tiene importantes consecuencias en la naturaleza. Por ejemplo:

a) Los globos de aire caliente que lanzan en Navidad y Fin de Año, ascienden porque al calentarse el aire en su interior disminuye su densidad. Como la densidad del aire caliente es menor que la densidad del aire frío que rodea al globo, sobre éste aparece una fuerza vertical de empuje de mayor magnitud que su propio peso, que lo obliga a subir. b) Cuando una porción de aire húmedo (con vapor de agua) se caliente por efecto de la luz solar, su densidad disminuye; por ser menos denso que el resto de aire que le rodea, la porción asciende y se eleva hasta cierta altura en la tropósfera (capa más baja de la atmósfera). A medida que esa porción de aire se eleva se va enfriando. Cuando se enfría, el vapor de agua condensa, se convierte en goticas minúsculas de agua y se forman las nubes. Las goticas se van juntando y creciendo hasta que sus pesos son tan grande que caen en forma de lluvia. c) Flotamos en una piscina porque la densidad de nuestro cuerpo es parecida a la densidad del agua. d) El hielo flota en el agua. Ya sabemos por qué! Esto permite que durante los inviernos, en las regiones de cuatros estaciones, los lagos no se congelen hasta el fondo y sólo se forme una capa delgada de hielo. Esta propiedad del agua permite que la vida continúe en las profundidades de los lagos a pesar de los fríos inviernos.

Recurso para docentes A. Identificación de materiales Se propone las siguientes actividades para introducir a los alumnos en la aplicación del método científico. Esta permite incorporar el conocimiento previo del estudiante en la construcción de su propio aprendizaje y aplicar el método científico. Se requiere de 10 botellas de refresco (gaseosas) de plástico de un litro de capacidad, arena, cemento, agua, azúcar, harina,

aceite, entre otros; una balanza o un dinamómetro (peso de pesar), un cilindro graduado en mililitros con capacidad de 200 ml o más, un pote de pintura negra en spray. 1. Llene una botella con aproximadamente 1 litro de agua con el cilindro graduado y mida su masa con la balanza. Quítele o agréguele agua hasta que mida 1 Kg. Haga una marca en el nivel del agua. Pinte, con la pintura negra, toda la botella, hasta este nivel. Este será su patrón para determinar densidades. Identifíquela con el Nro. 1. 2. Llene las demás botellas con los materiales de la lista u otros que considere conveniente hasta el nivel de la botella de agua. Es conveniente incorporar al experimento dos botellas que representen situaciones extremas de la masa contenida; una se llena de aire y la otra se llena de concreto preparado con cemento y arena. Píntelas por completo de negro y enumérelas. Por supuesto, la pintura impide conocer el material del interior de cada botella. Densidad del material seleccionado

3. Mida la masa y calcule la densidad del material en cada botella. No estamos

incluyendo

masa

botella,

pero

una

primera aproximación no la consideramos. ¿Por qué? Elabore una tabla de densidades con cuatro columnas como la que se muestra abajo y escriba en la primera casilla del agua su densidad cuyo valor es de 1 Kg/litro. Este será nuestro patrón de comparación. Escriba en la segunda columna los demás valores calculados por usted, pero manténgalos tapados con una cinta vertical. 4. Pídale a un estudiante que identifique cada sustancia mediante la comparación con la botella patrón. Que sostenga con una mano la botella patrón y con la otra la botella incógnita. Cuando la haya identificado, pídale que escriba este número en la casilla correspondiente de la tercera columna de la tabla. Continúe así con las demás. 5. Pídale al estudiante que mida la masa de cada botella, calcule su densidad y que escriba su valor en la cuarta columna. Pregúntele sobre cómo mejorar el método de medida para calcular con más precisión la densidad de cada botella. 6. Quite la cinta y compare con los resultados de la segunda columna. 7. Compare la aplicación del método científico con el "método" basado en el conocimiento previo del estudiante. B. Show de la densidad Consiste en determinar la densidad promedio del cuerpo humano mediante la medida del volumen de agua desplazada. Para tal fin se requiere de un recipiente de gran volumen (pipa, tonel, barril) donde se pueda introducir por completo una persona (profesor), una balanza para medir su peso y suficiente agua. Se llena el recipiente por completo de agua, se sumerge completamente la persona y se recoge el agua desplazada. Se mide el volumen de agua desplazada y junto con la masa de

la persona, se calcula su densidad. Dentro del error experimental, este debe estar cercano a 1 Kg/litro (1 g/ml).

La materia fluye 1. Definiciones En general, en la naturaleza el mismo material se presenta en cuatro estados de agregación diferentes: sólido, líquido, gaseoso y plasma. En cada estado particular, los materiales presentan propiedades muy disímiles acorde con sus estructuras microscópicas, las energías que contienen, las interacciones entre sus componentes de agregación y las interacciones con el medio ambiente que les rodean. En consecuencia, materiales con diversas propiedades físicas respondan de manera diferente a cambios en los parámetros que determinan sus estados mecánicos, termodinámicos, electromagnéticos, cuánticos, entre otros. Todos los materiales se pueden caracterizar, en primer lugar, por tener masa que ocupa un espacio dimensional particular; dentro del mismo estado termodinámico, las dimensiones de un objeto se pueden modificar, cambiando por ejemplo, la temperatura y/o la presión; igual pasa con el estado de agregación de sus componentes mediante la variación de la temperatura: podrían cambiar de estado sólido a líquido, de líquido a gas, por mencionar algunos procesos. En 1924 Bose y Einstein predijeron el quinto estado de agregación de la materia denominado condensado Bose-Eintein y en 2001 Cornell, Ketterle y Wieman recibieron el Novel de Física por la obtención del estado condensado con gases atómicos diluidos y enfriados a temperatura cercana al cero absoluto que fluyen sin fricción interna (viscosidad nula). En http://www.landsil.com/Fisica/Materia1.htm

se puede obtener mayor

información sobre el tema. Dentro de la fenomenología cotidiana que nos ocupa, es el agua el material que se presenta en los tres primeros estados en condiciones

normales de temperatura y presión. Es un hecho conocido por todos que el agua cambia del estado sólido (hielo) al líquido (agua), y de este último al gaseoso (vapor), cuando absorbe energía térmica del ambiente. El agua, ese gran tesoro natural, tiene propiedades muy particulares. En estado líquido, se adapta y ocupa parcialmente la forma del recipiente que la contiene y fluye cuando se pone en movimiento. Como el agua fluye, se incluye dentro del grupo de materiales que se conocen como fluidos; igualmente se hace con el aire, que también tiene esa capacidad. En general los gases y líquidos son fluidos; estos no mantienen su forma constante como los sólidos, sino que adoptan la de su contenedor. En: http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=12 0&l=s, Carpi A. describe los estados de agregación de la materia con varias simulaciones interesantes; por igual en http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia /curso/materiales/indice.htm, de Gaite C. Para

caracterizar

debidamente

los

fluidos

consideremos

previamente lo siguiente. La acción de una fuerza sobre un cuerpo puede provocar diferentes efectos. Estos dependen de su magnitud, de cómo se aplique y cómo esté repartida sobre la superficie del cuerpo. Por tal razón, un cuchillo afilado corta con su filo y no con el otro borde, un alfiler penetra con facilidad por su punta y le cuesta por su cabeza; una bañista se hundiría en la arena de la playa si usa zapatillas, pero no si camina descalza. En estos



casos lo que importa es la presión P, es decir, la magnitud de la fuerza F ejercida perpendicularmente por unidad de superficie A, es decir:

P

F A.

La presión es una magnitud escalar y se mide en N/m 2, unidad conocida como el pascal (Pa).

Un fluido contenido en un recipiente también ejerce presión sobre sus paredes y si además se encuentra en reposo, las fuerzas sobre las paredes son perpendiculares a cada porción de superficie del recipiente, ya que de no serlo existirían componentes paralelas que provocarían el desplazamiento de la masa de fluido que lo pondrían en movimiento; situación contraria a lo que se observa. Pero en cada punto en su interior, los fluidos también ejercen presión, de forma tal que cualquier cambio que experimente su presión, se comunica a todos los demás puntos en la misma magnitud. Esta afirmación se conoce cómo ley de Pascal. Los líquidos y gases también tienen como propiedad la compresión y la expansión bajo un cambio de presión. Sin embargo, aunque un gas sometido a una presión pequeña se puede comprimir y cambiar su volumen con facilidad; en cambio, a un líquido habría que suministrarle una presión

varios miles de veces mayor para lograr el

mismo efecto. A pesar de esto, bajo pequeños cambios de presión se pueden clasificar

Fig. 1a

los

líquidos

como

fluidos

incompresibles y los gases cómo fluidos compresibles.

Fig. 1b

Por otra parte, se puede comprobar que al aplicar una fuerza pequeña en magnitud y perpendicular a la superficie de un cuerpo sólido (figura 1a), como un cubo de gelatina, su volumen cambia. Pero, si se aplica una fuerza pequeña paralela (fuerza cortante) a la superficie, sus “capas” se deslizan una sobre otra, deformándolo (figura 1b); si la fuerza deja de actuar, el sólido recupera su forma original y por lo tanto lo clasificamos como elástico. Consideramos una fuerza de poca magnitud que no exceda el límite de elasticidad para que el sólido no se deforme permanentemente.

En el caso de un fluido, la fuerza cortante a la superficie hace que el mismo se deforme continuamente sin posibilidad

de recuperación de la forma original

(figuras 2a y 2b). Esto permite diferenciar un fluido de un sólido. Por este motivo el Fig. 2a Antes.

viento sobre el mar produce fuerzas

Fig. 2b Después.

cortantes que ponen en movimiento sus aguas y origina el oleaje. Otros atributos físicos que tienen los fluidos son su inercia (resistencia que ofrecen frente a un cambio de su estado de movimiento) la cual se mide mediante su masa en gramos (g) o kilogramos (Kg) y el espacio que ocupa, que se mide por su volumen en centímetros cúbicos (cm3) o metros cúbicos (m3). En el caso particular de un mismo líquido, cuanto mayor es su volumen mayor es su masa. No obstante, líquidos de diferentes naturalezas y con iguales masas, ocupan volúmenes diferentes. Aunque, para todas las sustancias, la masa y el volumen son directamente proporcionales, la relación de proporcionalidad es diferente para cada sustancia. Es precisamente la constante de proporcionalidad de esa relación la que se conoce por densidad, magnitud física que nos permite referenciar la masa de una sustancia respecto a la unidad de volumen ocupado en el espacio; así que, D 

m para un material homogéneo. Se mide en g/cm3 o V

Kg/m3. La densidad es propia de cada sustancia. En los líquidos varía con la temperatura, y en los gases depende además de la temperatura, de la presión que estos tengan. A manera de referencia, la densidad del agua es, aproximadamente, 1 g/cm 3; es decir, 1 m3 de agua contiene una masa de 1.000 Kg. La del aire es 0,001 g/cm3 y es equivalente a decir que 1 m3 de aire tiene una masa de 1 Kg. Así que, la densidad del agua es mil veces mayor que la del aire.

El estudio de los fluidos en reposo constituye el objeto de la estática de fluidos, rama de la física que comprende la hidrostática o estudio de los líquidos en equilibrio, y la aerostática que se encarga del estudio de los gases como el aire. La importancia de su estudio radica en las múltiples aplicaciones en las ciencias naturales. Basta mencionar que el noventa por ciento del cuerpo humano es líquido, que por las venas circula un fluido, que respiramos otro; que el ojo es un reservorio de humor vítreo y líquido lagrimal. Además, los grandes complejos hidroeléctricos generadores de electricidad como la Represa del Guri son maravillas de las aplicaciones tecnológicas de la hidrodinámica, ciencia de los fluidos en movimiento. Igualmente el petróleo con todos sus mecanismos de extracción, almacenamiento y transporte, es objeto de estudio de esta importante rama de la física. Existen materiales que, dependiendo de sus propiedades particulares, responden de manera desigual frente a la aplicación de un esfuerzo lateral; comportándose como líquidos bajo ciertas condiciones o como sólidos, si imperan otras. Así que, aunque parezca extraño, también hay sustancias que se comportan como fluidos y sólidos al mismo tiempo. Su estudio cae en el campo de la reología. Materiales de este tipo, con propiedades viscoelásticas, son por lo general soluciones con gran cantidad de partículas (polímeros) disueltas en ellas. Casos típicos son las resinas, los plásticos, múltiples derivados del petróleo y diversos tipos de champú; al igual que las pinturas, pastas dentales, maizina, helados, salsas de tomate tipo kétchup, entre otras.

Principios fundamentales

La masa de nuestro planeta Tierra deforma el espacio-tiempo a su alrededor y aparece un campo gravitacional que atrae los cuerpos a su superficie. Cercana a ésta la aceleración es de 9,8 m/s 2. Tal atracción gravitacional es la responsable de la caída de los objetos, de la existencia de la atmósfera planetaria y de la acumulación de las aguas en las cuencas de los mares y

océanos. Producto de la atracción terrestre la presión hidrostática en los líquidos se incrementa con la profundidad, ya que las capas de líquido más profundas soportan el peso de las capas superiores y a mayor profundidad mayor es el peso soportado. La presión en un líquido aumenta con la profundidad. A fin de apreciar tal variación, a continuación se proponen algunos experimentos.

Con una botella plástica de refresco de dos litros se puede mostrar esta aseveración. En tal sentido se hacen dos agujeros de igual diámetro en la pared de la botella con un clavo caliente, de modo que queden ubicados sobre la misma vertical en su parte media. Se llena completamente de agua coloreada la botella y se coloca la tapa. Al destaparla se observan chorros de agua que caen al piso siguiendo una trayectoria parabólica y que el chorro superior (a la profundidad h 1) es el que cae cerca de la botella, mientras que el que el inferior (a la profundidad h 2) tiene un alcance mayor, cae más lejos. El chorro del agujero correspondiente al nivel de agua de menor profundidad sale con menor presión hidrostática, mientras que el más profundo sale con mayor presión. Otra forma de mostrar la dependencia de la presión de la profundidad se logra con un solo agujero en otra botella. Sí

se llena completamente la botella con agua, se observa cómo disminuye el alcance del chorro de agua a medida que se vacía y reduce la profundidad del agujero. Principio de Pascal: la presión se ejerce por igual en todas direcciones.

Tres orientaciones del tapón en el agua.

Para visualizar este efecto, se introduce en un acuario con agua varios tubos vacíos con el tapón adosado en su extremo inferior como se muestran en la figura de arriba. Se pueden considerar tres casos: a) inclinar el tubo rectilíneo para comprobar que la presión ejercida por el agua no es sólo vertical, sino que actúa en otras direcciones o, b) utilizar un tubo de vidrio en forma de L (ele) para comprobar que la presión también actúa horizontalmente o, c) en forma de U, con una de sus ramas de menor longitud, para comprobar que también actúa de arriba hacia abajo.

presión resultante P sobre el tapón, que se representa con la flecha, es la diferencia entre la presión hidrostática ejercida por el agua y la presión atmosférica del aire.

3. Los fluidos empujan Según la ley fundamental de la hidrostática para los fluidos en reposo se cumple que la presión es directamente proporcional a la profundidad, es decir,

P  D g h, como

puede

comprobar

usando las ecuaciones anteriores. Fig. 6 Presión en las caras de un cubo de agua.

A continuación analicemos algunos valores. Si un buzo se sumerge en el mar a 1,0 m de profundidad, soporta una presión P = 1.000 Kg/m 3 9,8 m/s2 1,0

m = 9.800 N/m 2 = 9.800 Pa (pascal); si desciende a una

profundidad de 10 m soporta una presión de 98.000 Pa. Para que sirva de comparación, el aire a nivel del mar produce una presión atmosférica de una atmósfera o 100.000 Pa. Es decir, a 10 m bajo el mar el buzo soporta una presión de casi el doble ya que actúa sobre su cuerpo la presión atmosférica más la presión del agua. Los fluidos además de ejercer presión también “empujan”. Esta misma presión al actuar sobre los cuerpos sumergidos, hace que aparezca una fuerza de flotación o empuje E. Si consideramos un cubo imaginario de agua de aristas b (ver figura 6) a cierta profundidad, el resto de agua que está alrededor lo presiona y aparecen fuerzas por todos los lados. Sin embargo, las fuerzas se anulan por las caras verticales paralelas entre sí ( P 4 = P3 ); en cambio, en la cara horizontal inferior la fuerza es mayor por estar a

mayor profundidad, que en la cara superior (P 2 = P1). Al restarlas, resulta una fuerza vertical E hacia arriba que empuja al cubo hacia la superficie. Sin embargo esto no ocurre, porque el peso (p = mg = D g V) del cubo de agua es exactamente igual al empuje E y por supuesto el cubo “levita” y no se mueve; ni sube ni baja ni se va hacia los lados. Es decir, el fluido se encuentra en equilibrio hidrostático. Por otra parte, a fin de obtener una ecuación para el empuje retomemos la expresión anterior. La diferencia de presión por debajo y encima del cubo es, P2  P1  D g (h2  h1 ) .

Como

F  PA ,

entonces, E  ( P2  P1 ) A  D g bb 2 ,

donde A es el área de las caras del cubo y a la longitud de sus arista. Finalmente, como el volumen del cubo es V  b 3 , se obtiene que,

ED g V

A partir de esta última ecuación se puede concluir que en general, el empuje E que experimenta un cuerpo en un líquido de densidad D es directamente proporcional al volumen sumergido V. Esta afirmación

conoce como Principio de Arquímedes. Como el empuje es una fuerza, se mide en newton (N). Si el cuerpo se encuentra parcialmente sumergido, el empuje dependerá del volumen sumergido, el cual es igual al volumen de agua que haya desplazado. Así que, para el mismo líquido el empuje será mayor mientras mayor sea el volumen del cuerpo sumergido; en una piscina cuesta más hundir con la mano una pelota de futbol que una de ping pong porque el volumen de una pelota de futbol es 1600 veces mayor que el

volumen de una pelota de ping pong. De modo que, si se tienen dos cuerpos de pesos muy diferentes, aunque sean iguales sus volúmenes, al sumergirlos completamente en agua los empujes serán iguales. Pero, el empuje también lo puedes cambiar variando la densidad del líquido. Según expresión anterior, existen dos formas de variar el empuje sobre un cuerpo sumergido en un líquido: cambiado la densidad del líquido o cambiando su volumen sumergido. Así que, cómo cualquier cuerpo tiene dimensiones y por consiguiente masa y volumen, y además se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido (aire o líquido), sobre el mismo actúa una fuerza de empuje verticalmente hacia arriba, en sentido contrario al peso, dirigido hacia abajo. En consecuencia, un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido “pierde aparentemente peso”. Si el cuerpo se encuentra en el vacío, como en el espacio interplanetario, el empuje es cero. En el aire el empuje es pequeño; sin embargo el mismo cuerpo completamente sumergido en el agua experimenta un empuje mil veces mayor, ya que la densidad del agua es aproximadamente mil veces mayor que la del aire. Por consiguiente, comparando el peso con el empuje podremos predecir lo que sucederá con cualquier cuerpo sumergido en un fluido: a) Sí el peso es mayor que el empuje, se hunde. b) Sí el peso es menor que el empuje, flota. c) Si son iguales, levita. Como la densidad del cuerpo sumergido es Dc = m/Vc, su peso p = mg se puede reescribir de la siguiente manera: p = D c g Vc. Por otra parte, recordemos que el empuje es E = Dl g Vl . Partiendo de estas consideraciones se concluye que: sí el peso es mayor que el empuje, es

decir p > E, luego Dc > Dl , el cuerpo se hunde; sí Dc < Dl , flota y, en caso de que Dc = Dl , el objeto levita. Esta fuerza, fue descubierta por Arquímedes en el siglo III antes de nuestra era, durante un arduo razonamiento para determinar la pureza del oro de la corona del rey Hierón y fue la que originó su famoso grito de eureka (lo encontré), para celebrar tan insigne descubrimiento.

El cuento de la corona del Rey Hierón

Arquímedes ensimismado en sus cálculos y el Rey Hierón luciendo su corona de “oro puro”.

El grado de pureza del oro contenido en diferentes joyas en el momento de su adquisición, ha sido una duda permanente desde la antigüedad hasta nuestros días. Como el caso del Rey Hierón de Siracusa, quien en el siglo II antes de nuestra era, le encarga al famoso Arquímedes que determinara si la corona que le había mandado a fabricar a su orfebre de confianza era de oro puro (figura 8). El orfebre para despejar dudas, entregó a su rey una corona con igual peso que el oro que recibió para fabricarla. Es de imaginar que la magnitud de tal reto impuesto a Arquímedes, hizo que se dedicara a su solución de forma tan profunda, que en el momento de resolver el problema salió corriendo desnudo de los baños de la ciudad de Siracusa pregonando su histórico grito de Eureka!, Eureka! (figura 9). ¿Cómo Arquímedes resolvió el problema? Desde la antigüedad muchos autores se han dedicado a dilucidar el método utilizado por él para

presentarle una respuesta clara y convincente al rey. Uno de estos fue Galileo Galilei, quien estudió detenidamente los inconvenientes de este método y lo desecho por los grandes errores que se introducen al medir volúmenes. Sin embargo, lo consideramos en este trabajo por la riqueza pedagógica que posee y porque

permite desarrollar los conceptos de masa, volumen y

densidad de los materiales tal como lo menciona Slisko J. (2005). Según el ingeniero y arquitecto Vitruvio,

romano Arquímedes

pensó en fundirla para medir su volumen, sin embargo la condición era dejarla intacta. Por eso optó

por

procedimiento.

otro Así

que

buscó cierta cantidad de plata con peso igual al

Arquímedes analiza la relación de la flotación de su cuerpo con la corona.

peso de la corona y lo usó

como patrón; por consiguiente con igual masa M. Lo mismo hizo con el oro, seleccionó otro patrón de oro con igual peso (o masa M) al de la corona. Llenó un recipiente lo suficientemente grande y lo llenó de agua hasta el borde. Sumergió completamente la pieza de plata en el recipiente y midió el volumen Vp desplazado. Procedió con la pieza de oro de la misma forma y midió el volumen Vo desplazado. De esta forma se dio cuenta de que la plata desplazaba mayor cantidad de agua que el oro (Vp>Vo). Posteriormente, repitió con la corona el mismo procedimiento; encontró que la corona desplazaba mayor cantidad de agua (V) que la pieza de oro puro y menor cantidad que la pieza de plata. No dudó que el fraude estaba demostrado: la corona de “oro” contenía cierta cantidad de plata!

¿En qué magnitud física se basó? En que la materia que contiene un cuerpo ocupa un volumen en el espacio y que, sustancias con la misma “cantidad de materia” ocupan volúmenes diferentes.

EXPERIMENTOS

1 Flotación de objetos en el agua Objetivo: Mostrar la flotación de objetos de diferentes materiales en el agua. Con este experimento cualitativo se pretende que los estudiantes observen el proceso físico que tiene lugar al verter agua en el recipiente que los contiene. Con este recurso se les introduce en el trabajo experimental

para

observar

objetos,

identificar

sus

propiedades,

clasificarlos y presentar conclusiones.

Materiales: Dos botellas de plástico de 2 litros y agua. Un tornillo, anime, metra, balín metálico, piedra, paleta de madera, clip, corcho, bola de pimpón, huevo de gallina, cáscara vacía de un huevo (ver Anexo 1). Procedimiento: Se colocan la colección de objetos de diferentes pesos, densidades, formas y materiales en el fondo de una botella de plástico transparente para que se pueda visualizar su interior. Se vierte agua en su interior. ¿Qué se observa? Podrán notar que algunos objetos flotan, mientras que otros se mantienen en el fondo. Los más livianos flotan, aunque también aquellos más pesados y voluminosos.

¿Por qué? Los cuerpos tienen peso por la atracción gravitacional de la Tierra; ésta los atrae hacia su centro y por eso pesan. Por otra parte, al principio, todos los cuerpos que se encuentran en el interior de la botella están sumergidos en el aire que contiene. El aire, por ser un fluido, los empuja

hacia arriba con una fuerza que es insuficiente para vencer el peso, y por tal motivo permanecen en el fondo de la botella. Cuando se le agrega agua, algunos objetos flotan, mientras otros se quedan en el fondo. Ahora están sumergido en agua y ésta aplica una fuerza de empujé mil veces mayor que el empuje aplicado por el aire solo. Cómo el empuje supera al peso, los objetos flotan. Otros permanecen hundidos porque el peso es mayor que el empuje. Conclusión. El agua ejerce un empuje sobre los cuerpos que, en algunos casos, es mayor que sus pesos y los cuerpos flotan en la superficie.

2 Empuje y peso Primera parte: El empuje depende de la densidad del líquido Objetivo: Deducir que el empuje depende de la porción del volumen sumergido y de la densidad. Materiales: Dos botellas de plástico de 2 litros, agua y sal. Un tornillo, anime, metra, balín metálico, piedra, paleta de madera, clip, corcho, bola de pimpón, huevo de gallina, cáscara vacía de un huevo. Dos flotadores preparados (ver Anexo 1).

Procedimiento: Se repite el experimento 1. Se observa que despues de verter agua en la botella, algunos objetos permanecen hundidos en el fondo. Luego, para

lograr que otros objetos floten, se le agrega lentamente media cucharada de sal y se revuelve hasta que se diluya completamente; sí no pasa nada, es decir, sí los objetos continúan hundidos, se le agrega media cucharada más, y se continúa así hasta lograr que otros objetos emergan a la superficie del agua. ¿Qué se observa? Que algunos objetos flotan al agregarle sal, mientras que otros permanecen hundidos en el fondo de la botella. Aunque se le agregue más sal, el segundo grupo de objetos no flota. ¿Por qué? Al agregar la media cucharada de sal al agua y revolver, se prepara una solución donde el agua es el solvente y la sal el soluto. Dentro de la solución se encuentran las moleculas de sal interactuando con las moleculas de agua. Se dice que se ha preparado una solución, cuya concentración depende de la cantidad de sal que se le haya colocado. A medida que se le coloca más sal al agua, aumenta su concentración. Al aumentar la concentración, tambien aumenta la densidad de la solución. Por otra parte, los objetos que estan en la botella tambien se caracterizan por tener densidad. La densidad no es mas que la masa en (gramos o kilogramos) entre el volumen (mililitros, centímetros cúbicos, metros cúbicos) del cuerpo. Despues de agregar cierta cantidad de sal, se observa que uno de los cuerpos sumergidos empieza a subir a la superficie. Esto sucede cuando la fuerza de empuje supera al peso. Pero, sí el empuje aumentó es porque éste se incrementa con el aumento de la densidad de la solución salina. Conclusión. Por consiguiente podemos afirmar que el empuje es directamente proporcional a la densidad del líquido.

Segunda parte: El empuje depende del volumen del cuerpo Objetivo: Deducir que el empuje depende de la porción del volumen del cuerpo sumergido.

Procedimiento: Llenar el balde con agua. Introducir completamente en el agua, con una mano la botella pequeña y con la otra mano la botella grande. Luego, introducir poco a poco la botella grande.

¿Qué se observa? Que se requiere hacer un esfuerzo para introducir las botellas en el agua. Hay que aplicar una fuerza mayor para mantener hundida la botella grande.

¿Por qué? Esto sucede porque el agua empuja hacia arriba las botellas. Sin embargo, se siente que la botella grande empuja mucho más a la mano que la sostiene, que la botella pequeña a su mano correspondiente. La botella grande tiene un volumen aproximadamente 8 veces mayor que el de la botella pequeña. Por consiguiente el empuje que le aplica el agua a la botella grande es 8 veces mayor que el aplicado a la botella pequeña. Esta es una conclusión intuitiva pero es perfectamente medible. Luego se procede a introducir poco a poco la botella grande en el agua. Se siente cómo se incrementa la fuerza sobre la mano a medida que la botella se va hundiendo porque va aumentando el volumen sumergido o el volumen desplazado de agua.

Conclusión. El empuje ejercido por el agua sobre los cuerpos es proporcional al volumen de líquido desplazado.

3 Levitación en solución salina Objetivo: Lograr que leviten algunos cuerpos sumergidos en el agua.

Materiales: cinco botellas de refresco de plástico de litro y medio, agua, sal, huevos de gallina o codorniz y una cáscara vacía de un huevo de gallina (ver Anexo 1).

Procedimiento: Cortar con un exacto o una tijera cuatro botellas de plástico por encima de la mitad para preparar los envases. Identificarlas con etiquetas del 1 al 4.

Colocar en los tres primeros recipientes un

huevo de gallina (o codorniz) y en el cuarto la cáscara vacía. Luego, llenar los cuatros recipientes con agua sin rebosar.

Por otra parte, prepare una solución salina saturada en el recipiente 5. En tal sentido, agregue tres cucharadas o más de sal y revuelva; si toda la sal se ha disuelto en el agua, agregue media cucharada más hasta que observe que la sal no se disuelve. En cuyo caso ya se tiene una solución saturada y aunque agregue más sal, ésta no se disolverá.

A continuación, saque un poco de agua del recipiente 3 y agregue la solución saturada poco a poco hasta que el huevo empiece a subir. Si echó mucha solución saturada es posible que emerja a la superficie; si éste es el caso, vierta un poco de agua pura hasta lograr que levite en la

mitad de la botella, es decir que no se vaya al fondo del recipiente ni emerja a la superficie. ¿Qué se observa? 

Al principio, los huevos de los recipientes 1, 2 y 3 se mantienen en el fondo. Se encuentran sumergido en un fluido: el aire.



Cuando se les vierte agua a los cuatro recipientes, el del cuarto flota bastante y se mantiene en equilibrio en la superficie.



Al colocar suficiente sal en el recipiente 2, el huevo flota en la superficie.



Al agregar con cuidado la solución saturada al recipiente 3, se logra que el huevo suba desde el fondo y levite a media profundidad.

¿Por qué?

El peso del huevo del recipiente 1 es mayor que el empuje que le aplica el agua y por consiguiente, permanece hundido en el fondo. Esto es equivalente a decir que la densidad del huevo es mayor que la densidad del agua. El empuje del agua en el recipiente 2 es mayor que el peso del huevo y por consiguiente sube hasta la superficie donde se queda flotando. Otra forma de explicarlo: porque la densidad del huevo es mayor que la densidad del agua. Al llegar a la superficie el huevo se queda en equilibrio por disminuir el empuje, al no estar completamente sumergido. El volumen desplazado de agua ahora es menor y por lo tanto, también lo es el empuje. Bajo esta condición, el empuje y el peso son iguales, y el huevo se mantiene flotando en equilibrio. El empuje del agua en el recipiente 3 es igual al peso del huevo. Se logra que levite porque las dos fuerzas son iguales (empuje y peso), o

mejor dicho, porque las densidades (la de la solución y la del huevo) son iguales. El huevo del recipiente 4 emerge casi por completo por ser una cáscara de poco peso. En consecuencia, se requiere un empuje de pequeña magnitud; lo cual se logra desplazando un volumen pequeño de agua.

4 Ludión o diablillo de Descartes Objetivo: Construir ludiones con diferentes materiales.

Materiales: cinco botellas de refresco de plástico de litro y medio con sus tapas, frasco de mayonesa, tubo de ensayo, inyectadora plástica de 20 ml, agua, tapa de bolígrafo, pitillo, palitos de chupeta, clip, plastilina, globo inflable (ver Anexo 1).

Procedimiento: 1. Calibración del buzo. Para su construcción, en primer lugar, se tiene que preparar el buzo para sumergirlo en la botella. El buzo debe contener una cámara de aire con un orificio abierto que le permita la entrada y salida del agua. Por esto se usa la tapa del bolígrafo, al cual se le coloca un pedazo de plastilina en la prolongación (gancho) del extremo abierto, para desplazar su centro de masa y lograr que flote en el agua en posición vertical. Previamente se debe probar el buzo en un vaso lleno de agua. Por tal razón, se introduce en el agua en posición vertical con el extremo abierto hacia abajo; sí está listo, debe flotar verticalmente; si se hunde, se le debe quitar un poco de lastre (plastilina) hasta lograr que flote. Estará preparado para su inmersión en la botella,

cuando flote en el agua y que una parte muy pequeña de su volumen sobresalga a la superficie. 2. Llenar una botella completamente de agua e introducir el buzo. Taparla bien.

Fig. 14 Calibración del buzo en un

Fig. 15 Niña experimentando con el ludión.

¿Qué se observa? 

El buzo flota en la superficie del baso que uso para calibrarlo y cuando se introduce en la botella se queda flotando en su pico.



Al presionar la botella de plástico el buzo se hunde. Al soltarla el buzo sube. Si se ejerce una presión en forma adecuada, el buzo levita.

¿Por qué? Cuando el buzo se introduce en la botella completamente llena de agua y se tapa, existen dos fuerzas iguales en magnitud pero en sentidos contrarios que lo mantienen en equilibrio: el empuje del agua que lo hace flotar y su peso que lo tiende a hundir. En tal posición, el empuje se

produce por el volumen total de la tapa (con la plastilina) sumergida en el agua, más el volumen de la burbuja de aire que se encuentra en su interior, es decir el volumen de la cavidad. El peso del buzo es la suma del peso de la tapa más el peso del lastre (plastilina). Se puede apreciar que prácticamente no ha entrado agua a la cavidad de la tapa. Por otra parte, al presionar la botella con la mano, se observa cómo el buzo se hunde. Este incremento de presión en las paredes, por el principio de Pascal (Un incremento de presión en un punto cualquiera de un fluido incompresible se transmite por igual a todos los puntos del mismo y a las paredes del recipiente que lo contiene), se extiende por todo el líquido en la misma proporción, y el agua que entra a la recámara de la tapa comprime el aire en su interior disminuyendo el volumen de la burbuja de aire. Por consiguiente, la disminución del volumen hace que disminuya el empuje sobre la tapa. El buzo se hunde hasta una profundidad donde el empuje es igual al peso. Si se sigue incrementando la presión con la mano, el buzo sigue hundiéndose hasta tocar el fondo de la botella. Al contrario, al disminuir la presión efectuada con las manos a la botella, sale un poco de agua del buzo, aumenta su volumen y el empuje, y asciende. Además, presionando adecuadamente las paredes de la botella se logra que el buzo “levite” y quede suspendido en el agua a cualquier profundidad; en cuyo caso, el empuje total sobre el buzo es igual a su peso.

También se puede cambiar la presión del agua en la botella colocándole una inyectadora de 20 cc a su tapa como se indica en la figura 16; bien directamente sobre la tapa o mediante una manguera de plástico de acuario. A tal efecto, se abre un pequeño agujero en la tapa, se introduce del pico de la inyectadora y se sella herméticamente con silicón. Luego, se llena la botella con agua y se coloca el buzo en su

interior; se desplaza el émbolo de la inyectadora hasta que marque 50 cc y se tapa. Al introducir el émbolo con la mano, se aumenta la presión y en consecuencia el buzo se hunde. A fin de medir la presión ejercida, se mide el diámetro interior de la inyectadora y con esta medida se calcula el área de su

sección

transversal,

por

consiguiente igual al área del émbolo. Posteriormente,

colocan

pesas

calibradas en gramos sobre el émbolo para aplicar cierta fuerza (en gramo peso) al agua. Esta fuerza por unidad de área es la presión ejercida a la Fig. 16 Botella conectada a la inyectadora.

botella. Además, se puede medir la presión a diferentes profundidades y

de esta forma se construye una gráfica que interrelaciona la presión con la profundidad del buzo. Se deja al lector la realización de este experimento.

Otro modelo de Ludión se puede fabricar con un florero cilíndrico de vidrio de 40 cm de largo y 10 cm de diámetro, por ejemplo. Este se llena completamente con agua y se introduce el buzo; luego se le coloca en su boca una membrana recortada de un globo grande, se estira hasta que la cubra por completo y se fija bien con una liga gruesa. Al presionar la membrana, el buzo se hunde.

5 Flotación de líquido en líquido Objetivo: Mostrar que un líquido puede flotar sobre otro. Materiales: Una copa o vaso de vidrio, aceite comestible, aceite de motor, glicerina, alcohol metílico o etílico, azúcar, colorante vegetal y agua (ver Anexo 1). Procedimiento: Se vierte 70 cc de agua (1,0 g/cm3) en un vaso de vidrio. Luego se vierte lentamente, dejando que escurra por la pared del vaso, 70 cc de aceite de comer en el mismo vaso. El aceite (0,91-0,92 g/cm3 a 25o C) flota en el agua. Se vierte poco a poco 50 cc de alcohol isopropílico (~0,786 g/cm 3) diluido al 70%. El alcohol flota en el aceite. Finalmente se vierte 50 cc de glicerina. Se podrán observar cuatro capas inmiscibles: agua en el fondo, glicerina a continuación, aceite en la siguiente y alcohol en la superficie. ¿Qué se observa? Que se forman cuatro capas líquidas sin mezclarse entre sí. ¿Por qué? En líquidos inmiscibles también se da la flotación producto de la diferencia entre sus densidades: el menos denso flota sobre el más denso. Varios ejemplos cotidianos merecen nuestra atención. Gotas de grasa flotan en caldos de gallina; capas de nata (caseína) flota en el suero de la leche durante la fabricación del queso; capas delgadas de aceite de automóvil que flota en charcos de agua en las calles producen franjas multicolores por descomposición de la luz blanca. A nivel ambiental, se conoce la capacidad del petróleo de generar desastres ecológicos en las costas continentales,

durante los derrames en mares y océanos, por efecto de su baja densidad (0,75-0,95 g/cm3) en comparación con la del agua salada (~1,028 g/cm3). A fin de ilustrar estos procesos con líquidos cotidianos y lograr que

sean

durante

más

concepto

enseñanza

del

flotación,

propone

significativos

experimento. Se vierte 70 cc de agua (1,0 g/cm3) en un vaso de vidrio. Luego

vierte

lentamente,

dejando que escurra por la Fig. 18 Vaso de vidrio con tres líquidos. pared del vaso, 70 cc de aceite de comer en el mismo vaso. El aceite (0,91-

0,92 g/cm3 a 25o C) flota en el agua. Finalmente, se vierte poco a poco 50 cc de alcohol isopropílico (~0,786 g/cm3) diluido al 70%. El alcohol flota en el aceite. Se podrán observar tres capas inmiscibles: agua en el fondo, aceite en el medio y alcohol en la superficie. El reto a continuación es lograr que levite en cada capa, una esferita de anime de aproximadamente 1 cm de diámetro como se ilustra en la figura 20, incrustándole pequeñas tachuelas de acero para aumentar su peso. Es necesario calibrar cada esfera por separado, es decir lograr la levitación de la esferita en cada líquido solo en otro recipiente. Después se procede a soltar las esferas en el vaso con los tres líquidos, empezando con la más pesada, que se irá al fondo y levita en el agua; luego, se suelta la de peso intermedio que levita en el aceite y, finalmente la más liviana que levita en el alcohol. Se puede aumentar el número de capas usando otros líquidos con diferentes densidades como glicerina, keroseno o aceite mineral (de motor de automóvil), de uso cotidiano en el hogar.

La flotación tiene aplicación en la industria metalúrgica para separar componentes minerales.

6 Modelo hidrostático del sistema solar Objetivo: Elaborar un modelo del sistema solar con gotas de aceite en agua. Materiales: Un bol esférico de vidrio de 10 ó 20 cm de diámetro, un litro de alcohol metílico del que venden en las farmacias, un cuarto de litro de aceite de comer, agua y una inyectadora de 10 cc sin aguja. Procedimiento: Vierte el litro de alcohol en el acuario y llena la inyectadora de aceite. Introduce la inyectadora en el fondo del acuario y échale 10 cc de aceite al alcohol. Notarás que el aceite no se liga con el alcohol, sino que se aplasta en el fondo del acuario y toma forma de lenteja. Luego, vierte poco a poco cierto volumen de agua en el acuario; observarás que la lenteja de aceite se ensancha. Sigue agregando agua hasta que el aceite toma forma esférica (de pelota) y empieza a subir. Llegará un momento en que la gota de aceite flota dentro de la solución de alcohol-agua. !La gota levita! !Lograste lo esperado! !Creaste al Sol! Con una cuchara ubícalo con cuidado en el centro del acuario. A continuación crea los planetas. ¿Qué cómo lo haces? Con mucho cuidado, sin agitarla, agrégale a la solución otra gota con la inyectadora. Debería levitar como la anterior. Felicidades, !creaste al primer planeta! Ponle el nombre que le corresponde por estar más cerca del Sol.

Para afinar tu modelo, recuerda que los planetas tienen diferentes tamaños y por consiguiente, las gotas de aceite deberían tener diferentes volúmenes. Finalmente, introduce un cuchillo de mesa en la solución y muévelo circularmente rozando la pared del acuario; observarás que tu sistema solar rota; las gotas planetas giran alrededor de la gota Sol. Felicidades

nuevo,

creaste

Sistema

Solar.

Con

experimentación se disfruta y aprende. Así como hiciste este modelo, los científicos (astrónomos) elaboran los suyos en computadoras para entender cómo funciona el Universo."

¿Qué se observa? 

Que al principio, la gota grande se hundió en el alcohol y se mantiene aplastada en el fondo del bol por su propio peso.



La gota adopta forma de disco o lenteja, aproximadamente.



Cuando se aumenta la densidad del alcohol, vertiéndole agua, la gota asciende un poco hasta que levita



Las gotas pequeñas también levitan en la solución etílica, y rotan alrededor de la gota grande que se encuentra en el centro del bol.

¿Por qué? La densidad del aceite es mayor que la densidad del alcohol y por eso la gota se deposita en el fondo del bol. Cuando se agrega agua al alcohol, su densidad aumenta, porque la densidad del agua es mayor. Se ha preparado una solución de alcohol-agua con una densidad mayor que la del aceite y menor que la del agua. Cuando la densidad de la solución se iguala con la densidad del aceite, se forma la gota aproximadamente esférica. Adopta esa forma porque la presión de la solución es casi la misma por todos lados. Al colocar las gotas pequeñas, estas también levitan por la igualdad de densidades con la solución.

7 Flotación de burbujas en gas Objetivo: Mostrar que un gas ejerce empuje sobre los cuerpos. Materiales:Un bol de vidrio de repostería (o de adorno) o metálico de cocina, dos pitillos, medio litro de vinagre, 100 g de bicarbonato (de sodio) de repostería, una taza de jabón líquido de lavaplatos, 100 ml de glicerina, agua destilada o hervida reposada, alambre galvanizado de amarre (ver Anexo 1). Procedimiento: En primer lugar, se requiere preparar una solución jabonosa para hacer las burbujas (pompas) de jabón. En tal sentido, se miden dos porciones (100 ml cada porción) de agua y se coloca en un recipiente más grande, luego se le vierte una porción de jabón líquido y otra porción de glicerina, y se revuelve. Esta solución jabonosa se deja reposar por 24 horas para mejorar sus efectos. Si no tiene como medir volúmenes, no importa. Considere como porción, el volumen correspondiente de una taza cafetera pequeña o una grande. En segundo lugar, se vierte 100 ml de vinagre en el bol, se le agrega una cucharadita de bicarbonato y se revuelve. Sin pérdida de tiempo, se lanzan unas tres burbujas en su interior. ¿Qué se observa? Al caer el bicarbonato en el vinagre se forman burbujitas que ascienden a la superficie. La burbuja de jabón que se les meten al recipiente no logra llegar hasta la superficie de la solución de vinagre con bicarbonato, sino que flotan por encima de su superficie. Es decir, levitan. La pompa de jabón permanece unos minutos levitando, y luego explota y desaparece. ¿Por qué? Cuando el bicarbonato de sodio reacciona con el vinagre, se desprende CO2 (anhídrido carbónico) en forma gaseosa. Como es un gas

que se forma dentro de la solución y es menos denso, por consiguiente, llega hasta su superficie en forma de burbujitas, la traspasa y desplaza el aire que se encuentra por encima de ella. Este gas es incoloro y su presencia no se aprecia dentro del bol. Ahora bien, el aire está formado por nitrógeno (78 %), oxígeno (21 %) y otros elementos en menor cuantía. El CO2 es más pesado que el aire y por consiguiente, se queda acumulado por encima de la superficie de la solución y por debajo del aire de la atmósfera. Cuando se suelta la burbuja de jabón en el bol, esta se hunde en el agua pero flota en el CO2. Por tal razón se observa levitando un rato dentro del bol hasta que explotan.

Anexo 1 Lista de Materiales 1. Flotación de objetos en el agua 

Dos botellas de plástico de 2 litros



Un tornillo, un balín metálico, una metra de vidrio, una piedra pequeña, un clip



Un trocito anime, paleta de madera, corcho, bola de pimpón, bola de anime, huevo de gallina, cáscara vacía de un huevo



Agua

2. Empuje y peso 

Dos botellas de plástico de 2 litros



Un tornillo, un balín metálico, una metra de vidrio, una piedra pequeña, un clip



Un trocito anime, paleta de madera, corcho, bola de pimpón, bola de anime, huevo de gallina, cáscara vacía de un huevo.



Agua

3. Levitación en solución salina 

Cinco botellas de refresco de plástico de litro y medio



200 gramos de sal, 5 huevos de gallina o codorniz y una cáscara vacía de un huevo de gallina

4. Ludión o diablillo de Descartes 

Cinco botellas de refresco de plástico de litro y medio con sus tapas



Un frasco de mayonesa, un tubo de ensayo, una inyectadora plástica de 20 ml, un florero cilíndrico de vidrio transparente de 30 cm de longitud



Dos tapas de bolígrafo, un pitillo, 10 palitos de chupeta, 10 clips, 3 barras de plastilina, 5 globo inflable, un yesquero o encendedor de cigarrillo



Agua

5. Flotación de líquido en líquido 

Una copa o vaso de vidrio transparente



Una taza de aceite comestible, una taza de aceite de motor, 100 ml de glicerina, 100 ml de alcohol metílico o etílico



Medio kilogramo de azúcar, un kit de colorante vegetal

6. Flotación de burbujas en gas 

Un bol de vidrio de repostería (o de adorno) o metálico de cocina



Medio litro de vinagre



100 g de bicarbonato (de sodio) de repostería



una taza de jabón líquido de lavaplatos



100 ml de glicerina



Dos pitillos

Anexo 2 INFORMACIÓN Laboratorio de Física para estudiantes curiosos de quinto y sexto grado de Educación Primaria, y primero, segundo y tercer año de Educación Media, interesados en temas de Física y Ciencia Naturales

¡Sentirás correr la Ciencia por tus venas! ¡NO TE LO PIERDAS! !Gracias por contactarnos! Se trata de un Taller dinámico, totalmente experimental, no son "clases tradicionales de física", es un encuentro interactivo donde se analiza el porqué de las cosas, de los fenómenos que nos rodean. Partiendo de ello, los conceptos físicos se aclaran y el proceso de enseñanza-aprendizaje de la ciencia se convierte en una experiencia vivencial. En cada sesión se presentan y analizan experimentos divertidos que exhiben procesos físicos relacionados con el quehacer científico-tecnológico mediante la estrategia del reto o desafío que conllevan al conflicto cognitivo a fin de inducir el planteamiento de preguntas y sus respectivas respuestas. El taller en sí, se convierte en un ambiente pedagógico donde se incentiva el amor por el estudio de las Ciencias Naturales, la Tecnología y la Matemática, y donde se desarrollan las capacidades cognitivas de niños, niñas y adolescentes. Aunque está especialmente dirigido a estudiantes a partir de 10 años, no se excluye la participación de docentes que quieran vivir la experiencia y hacerse de herramientas y contenidos para profundizar y diversificar su práctica docente. En este primer bloque se mostrarán muchos experimentos sencillos de Física de los temas de fluidos, electrostática, electromagnetismo y equilibrio mecánico, fácil de replicar en el hogar y la escuela.

Los participantes tendrán acceso al material digital especialmente elaborado para la actividad. DURACIÓN: 4 sesiones de 2 horas académicas cada una, a realizarse los días sábados 7, 14, 21 y 28 de marzo. CUPO MÁXIMO: 12 asistentes PERFIL DEL PONENTE: El Prof. Orlando B. Escalona T. es Físico (docente e investigador). Profesor de la Universidad de Los Andes (ULA-Mérida) y Coordinador del CELCIEC (Centro Latinoamericano y del Caribe para la Investigación de la Enseñanza de la Ciencia), con amplia experiencia en la divulgación de la ciencia y el edu-entretenimiento. Sus Blogs: 1. Sendero Pedagógico para la Enseñanza y Divulgación de la Ciencia (SEPENDICI) 2. Ondas que nos Rodean 3. Escuela para el Desarrollo Temprano del Talento Científico Aprenderemos sobre: Fluidos: Flotación de cuerpos. Gotas de aceite, huevos en soluciones y ludiones Electrostática: Chispas, truenos, rayos y relámpagos Electromagnetismo: Pilas, generadores y motores eléctricos Equilibrio: !No caen, aunque parezca!

En la fotografía de arriba se muestra una de nuestras actividades pedagógicas realizadas con estudiantes.

Incentivamos el interés por la Ciencia y la Tecnología A Indagar y reflexionar mediante el trabajo experimental Enseñamos a manejar el método científico Redactar e interpretar informes Conocer la historia de la ciencia

Experimentos para el Taller 1. 2. 3. 4. 5.

Estados de la materia: gaseoso, líquido y sólido. Definición de fluido. Principios fundamentales. Los fluidos empujan Principio de Arquímedes. Empuje y peso. El cuento de la corona del Rey Hierón. Vaciado de la botella con objetos de diferentes materiales. Sacar algunos con agua. 6. Hundir una pelota de pimpón y un globo inflado. 7. Flotación de huevos de gallina y codorniz. Levitación en solución salina. 8. El Ludión. Buzos de tapa de bolígrafo, gotero, pitillo, palito de chupeta, globo. Tipos de ludión: botella plástica, frasco de mayonesa y florero. 9. Flotación de líquido en líquido. Torres de líquidos con diferentes sustancias. Torres con solución de azúcar de diferente densidad. 10. Flotación de gotas de aceite en solución de agua con alcohol. Modelo del sistema solar con gotas de aceite en un bol. 11. Flotación de burbujas en gas. 12. Aplicaciones: Peces, submarinos y nubes.