Nitinol: un material con memoria de forma

El Nitinol es una aleación de níquel y titanio que tiene memoria de forma. Si lo deformamos plásticamente y posteriormente lo calentamos recuperará su forma original. Mediante calentamiento bajo tensión es posible darle una nueva forma.

Un material con memoria de forma puede recuperar su forma después de deformarlo de una manera aparentemente irreversible. En los años treinta del pasado siglo se descubrieron las primeras aleaciones con este comportamiento y veinte años más tarde, en los cincuenta, se encontró una explicación a lo que sucedía

Sus aplicaciones son muy diversas y en ámbitos muy dispares, por ej.: antenas para satélites que se transportan plegadas y llegado el momento se despliegan adoptando la forma predefinida, válvulas, en circuitos de seguridad, que se cierran o abren en función de la temperatura, piezas deformadas de objetos sometidos a tensión, que recuperan su forma mediante el paso de una corriente eléctrica.

El Nitinol

Uno de los materiales más populares que presenta memoria de forma es una aleación de Ni y Ti conocida como Nitinol. Su nombre es un acrónimo que incluye además de los dos metales constituyentes, el laboratorio de armamento de la armada estadounidense donde se descubrió :
Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.
Su descubridor fué William J. Buehler un ingeniero metalúrgico que trabajaba en el Naval Ordnace Laboratory  preparando aleaciones para el cono delantero de los misiles Polaris.

Los materiales que buscaba debían soportar las drásticas condiciones que se producen en la reentrada de los misiles en la atmósfera terrestre. En 1959 centró su búsqueda en una aleación de níquel y titanio en proporciones equimolares a la que donomino Nitinol. Descubrió accidentalmente, al caérsele una muestra, que dependiendo de la temperatura de la muestra, el sonido que producía al chocar con el suelo del laboratorio era diferente. Esto sugería un cambio en la estructura de la aleación en función de la temperatura. En los primeros meses de 1960 Buehler probaba la resistencia a la fatiga de la aleación. Usando tiras de Nitinol las doblaba en una especie de acordeón y lo estiraba y doblaba a temperatura ambiente sin que se rompiera. En 1961 Buehler no pudiendo asistir a una de las reuniones, en las que se analizaba la marcha de los proyectos en desarrollo, envío a uno de sus asistentes Raymond C.Wiley a la misma. En la reunión Wiley mostró la pieza en forma de acordeón, que fue pasando de mano en mano entre los asistentes, mientras comprobaban sus propiedades mecánicas. Uno de los presentes David S. Muzzey, fumador de pipa, aplicó calor a la pieza usando su mechero. Ante la mirada de los asombrados asistentes, la muestra de Nitinol se estiró adoptando un forma lineal y exhibiendo de esta manera su sorprendente memoria de forma.

En el vídeo que sigue, un alambre de Nitinol deformado tras ser enrollarlo en una pieza cilíndrica, recupera su forma lineal al calentarlo.

¿Por qué tiene memoria de forma?

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La órbita de la Luna

La Luna
La Luna

La Luna acompaña a la Tierra en su viaje por el espacio. Juntas orbitan alrededor del Sol como el resto de los planetas. En la tabla siguiente se reflejan algunos datos de masas y distancias del sistema Sol-Tierra-Luna, así como algunas relaciones entre ellos.

Relaciones
Distancia Tierra-Sol (km) 1,5 E+08 389
Distancia Tierra-Luna (km) 3,8 E+05 1
 
Radio (km) Sol 7,0 E+05 401
Tierra 6,4 E+03 4
Luna 1,7 E+03 1
 
Masa (kg) Sol 2,0 E+30 2,7 E+07
Tierra 6,0 E+24 81
Luna 7,3 E+22 1

Un reto

Antes de continuar te propongo un pequeño reto: resolver los  siguientes ejercicios.

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La pila de limón

[Ir directamente a la fabricación de la pila]

Índice

  1. Introducción
  2. Fabricando una pila en casa
    1. ¿Qué se necesita?
    2. A tener en cuenta
    3. Montando la pila
      1. Hay que asegurarse de que :
      2. Algo se enciende
      3. Uniendo dos pilas
      4. Si no funciona:
      5. ¿Donde está el limón?
  3. La explicación [nivel 1]
  4. La explicación [nivel 2]
    1. ¿Qué es una reacción química?
    2. En algunas reacciones se intercambian electrones
    3. El clavo y el vinagre contienen los reactivos de la reacción
    4. ¿Qué sucede en la pila?
  5. Algunos comentarios
    1. Sobre el ladrón de julios
    2. ¿Qué sucede en la pila?
    3. Cómo aumentar la corriente de la pila
    4. Como aumentar la tensión de la pila
    5. La pila de limón y los errores conceptuales
      1. Errores conceptuales habituales en la explicación del funcionamiento de la pila
      2. Un ejercicio
  6. Referencias bibliográficas
    1. La pila de limón, construcción, funcionamiento y variantes
    2. Sobre errores conceptuales en electroquímica

Introducción

Hace unos días al preparar material para un taller de electricidad y magnetismo en el MUNCYT, destinado a chavales entre 11 y 14 años, comprobé que la fabricación de una pila casera con limón y sus variantes es una actividad muy popular. Una búsqueda en Google (Por ejemplo “pila de limón” o “lemon battery”) devuelve miles de páginas y vídeos en los que se nos explica como construir una pila con materiales que se encuentras en muchas casas.

En esta entrada hay una versión de la actividad usada en el taller, una explicación de lo que sucede contada a alumnado de secundaria en dos niveles de complejidad y algunos comentarios que pueden ser de interés para alumnado de bachillerato que esté estudiando electroquímica o cualquier persona interesada en preparar la actividad.

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Física y montañas rusas

montaña rusa
Montaña rusa en Port Avenntura

Las montañas rusas son unos objetos estupendos para estudiar física, especialmente las leyes de la mecánica.

La conservación de la energía

Inicialmente se arrastra el vagón, que carece de tracción propia, hasta la parte más elevada de la montaña rusa. Esta separación de la Tierra produce un aumento de la energía potencial gravitatoria del vagón. Al dejarlo en libertad, el vagón desciende aumentando progresivamente su velocidad. En términos energéticos su energía potencial gravitatoria se va transformando en energía cinética, la energía asociada al movimiento de los cuerpos, salvo una pequeña parte que se transforma en calor debido al rozamiento que ejercen el aire y las vías. En los tramos ascendentes, sucede lo contrario la velocidad disminuye a medida que el vagón gana altura aumentando por tanto la energía potencial gravitatoria a costa de la energía cinética. Una pequeña parte de esa energía cinética de nuevo se transforma en calor debido al rozamiento.
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Efecto Mpemba

¿Qué es el Efecto Mpemba?

Se llama Efecto Mpemba al fenómeno consistente en que bajo ciertas circunstancias el agua caliente se congela antes que el agua fría.

Un poco de historia

Aristóteles(384-322 a.C.) en su obra “Meteorológicos” ya hace referencia a este efecto, así como Roger Bacon(c. 1214-1294),  Francis Bacon(1561-1626) en su Novum Organum o René Descartes(1596-1650) en su Discurso del Método.

Erasto Mpemba

El efecto, un poco olvidado, volvió a primer plano en los años 60 del siglo pasado de la mano de Erasto Mpemba, del que recibe su nombre. Mientras estudiaba en un colegio de secundaria en Tanzania sus compañeros y él hacían helado en una nevera del colegio compitiendo por el poco espacio existente dentro de la misma. En una ocasión para no quedarse sin sitio metió el líquido recién hervido en la nevera en lugar de dejarlo enfriar previamente como era lo habitual. Al abrir la nevera al cabo de hora y media observó para su sorpresa que su helado estaba congelado mientras que el de un compañero, que  había introducido la misma cantidad, al mismo tiempo, pero a una temperatura mucho más baja, todavía estaba líquido.

Le preguntó a su profesor de física cual podía ser la explicación, recibiendo la respuesta “Te has confundido eso no puede pasar”.

Pasado el tiempo cambió de colegio y en el laboratorio de biología repitió el experimento con parecidos resultados.

En esa época Denis Osborne, jefe del Departamento de Física de la Universidad de Dar es Salam, dió una conferencia en el colegio y en la ronda final de preguntas Erasto le preguntó: “Si coges dos vasos de precipitados con la misma cantidad de agua, uno a 35ºC y el otro a 100ºC, y los pones en un congelador, el que estaba a 100 ºC se congela primero. ¿Por qué?”. Osborne le contestó que lo comprobaría y le animó a que siguiese estudiándolo.

De vuelta a su universidad Osborne  encargó a un técnico de laboratorio que hiciese la experiencia. El ayudante le informó una vez realizado el experimento que efectivamente el agua caliente se había congelado primero pero que “Continuaremos repitiendo el experimento hasta que obtengamos el resultado correcto”. Posteriores experimentos confirmaron los resultados de Erasto.

Mpemba y Osborne en 1969 publicaron un artículo de forma conjunta en la revista Physics Education en el que se recoge todo lo anterior:

En el video siguiente podemos ver a Osborne y  Mpemba  recordando lo sucedido :

Premio de la Royal Society of Chemistry

En 2012 la RSC ofreció un premio de 1000 libras a la persona o grupo que ofreciese la explicación más creativa del efecto Mpemba. Se recibieron más de 22 000 participaciones de todo el mundo. El ganador fue Nikola Bregovic, de la Universidad de Zagreb. En la web de la RSC puede leerse su trabajo, el de los finalistas y otros aspectos interesantes relacionados con el  premio y el efecto Mpemba.

Explicación del efecto

A día de hoy no hay todavía un acuerdo sobre la explicación del efecto. Dentro de las  causas posibles se han mencionado:

Evaporación

El agua caliente se evapora más de prisa que el agua fría, como consecuencia hay menos agua que congelar al llegar a la temperatura de fusión.

Gases disueltos

El agua fría tiene una mayor cantidad de gases disueltos que el agua caliente. Las moléculas de los gases en disolución incrementan la viscosidad del agua fría  dificultando las corrientes de convección. La presencia de gases disueltos también produce un descenso del punto de fusión.

Aumento de la convección

En el agua caliente se produce una mayor diferencia de temperatura entre el centro del recipiente donde el líquido se mantiene caliente y la zona en contacto con las paredes en la que se enfría más deprisa. Esta diferencia de temperatura favorece las corrientes de convección.

Vivimos en el fondo de un mar de aire

“Vivimos en el fondo de un mar de aire”
Evangelista Torricelli (1608-1647)

El experimento

Material

  • Una lata de refresco vacía.
  • Un recipiente con agua fría.
  • Unas pinzas para sujetar la lata.
  • Un poco de agua.
  • Una fuente de calor para calentar la lata.

¿Cómo se hace?

  1. Echamos en la lata un fondo(∼1 cm) de agua.
  2. Calentamos la lata hasta que hierva el agua y veamos claramente como sale el vapor.
  3. Metemos la lata invertida en el recipiente con agua fría

¿Qué sucede?

El aire que tenemos sobre nuestras cabezas pesa ya que es atraído, como todo lo demás, por la Tierra. Estamos acostumbrados a vivir, como decía Torricelli, en el fondo de un mar de aire y por eso no solemos ser conscientes de que sobre cada centímetro cuadrado de nuestra piel o de cualquier objeto el aire ejerce una fuerza de 1 kg-fuerza, el peso de un litro de agua. Una fuerza de 1 kg-fuerza por cada cm2 es una presión de 1 atmósfera.

La superficie exterior de la lata mide aproximadamente  350 cm2 por lo tanto el aire ejercerá sobre ella una fuerza de unos 350 kg-fuerza.

Cuando hablamos de una lata de refresco vacía lo que realmente queremos decir es que no tiene refresco ya que vacía no está pues su interior está lleno de aire. El aire del interior de la lata ejercerá también una fuerza de 350 kg-fuerza hacía el exterior.

Si somos capaces de  extraer el aire del interior, la fuerza del aire exterior ya no estará compensada y estrujará la lata ya que la fina capa de aluminio no sera capaz de impedirlo.

Al hacer hervir un poco de agua en el interior de la lata, el vapor de agua formado expulsará el aire que contiene. Cuando se introduce la lata invertida en el recipiente con agua fría se produce la condensación del vapor en agua líquida, quedando la lata, ahora si, vacía. La fuerza del aire exterior produce la deformación que vemos de la lata.

A tener en cuenta

Hay que asegurarse de no tener a nadie cerca al que rociemos sin querer con agua hirviendo cuando introducimos la lata en el agua fría.

 

 

 

 

Motor simple

material

  • Imán de neodimio. Se puede comprar en una ferretería. No es necesario que sea tan grande como el del vídeo.
  • Pila. AAA, AA u otra. La del vídeo tiene una pequeña hendidura en su base (-) lo que facilita el equilibrio del hilo. Se le puede hacer con una punta y un martillo.
  • Hilo de cobre. Hay que quitarle el recubrimiento de barniz o plástico en las zonas en que contacta con la pila(-) y el  imán.

 ¿Por qué funciona?

fuerzas en motorSi acercamos un imán a un hilo por el que circula una corriente continua, como la que produce una pila, aparece una fuerza entre ellos, salvo que estén alineados. La fuerza cambia de atractiva a repulsiva o viceversa cambiando el sentido de la corriente o el polo del imán que acercamos al hilo.

Cuando circula la corriente por hilo de cobre que usamos en el motor aparecen, sobre los lados, dos fuerzas opuestas que lo hacen girar.

A este tipo de motores eléctricos en los que la corriente en el circuito siempre circula en el mismo sentido se les denomina homopolares.

Más información

Para una explicación más técnica puedes leer el artículo  Motor Homopolar de Agustín Martín Muñoz publicado en la Revista Eureka Enseñ. Divul. Cien., 2007, 4(2), pp. 352-354.

Se pueden construir otros tipos de motores homopolares.

¿Es posible meter la mano en plomo fundido a 400°C sin quemarse?

Antes de contestar a la pregunta que da título a esta entrada hagamos:

Un experimento

Efecto Leidenfrost
Efecto Leidenfrost

Dejemos caer agua, gota a gota, sobre una superficie metálica que está a una temperatura ligeramente superior a 100 ºC, punto de ebullición del agua. Observaremos que la gota desaparece rápidamente transformándose en vapor de agua. Si aumentamos gradualmente la temperatura de la superficie, el tiempo que sobreviven las gotas disminuye ya que la velocidad a la que se transfiere calor entre la superficie y las gotas aumenta. Esto sucede así hasta que sobre los 200 ºC algo sorprendente tiene lugar, el tiempo de supervivencia de las gotas aumenta rápidamente hasta alcanzar un valor máximo sobre los 210 ºC (Superficie de aluminio y presión de 101,3 kPa)
gota LeindefrostEste fenómeno tiene el nombre de Efecto Leidenfrost en honor de Johann Gottlob Leidenfrost que lo describió en el 1756 en el libro De aquae communis nonnullis qualitatibus tractatus (Tratado sobre algunas propiedades del agua común). Hermann Boerhaave lo había mencionado previamente en 1732. La temperatura a la que el efecto es máximo se denomina Punto Leidenfrost. Es el pico en la gráfica adjunta. En este punto y en temperaturas próximas se forma una capa de vapor entre la gota y la superficie metálica que mantiene la gota flotando, como se ve en la figura, y  dificulta la transmisión de calor por lo que la gota tarda más en vaporizarse y además se mueve sobre la superficie ya que disminuye el rozamiento entre ambas.

La respuesta

Utilizando el Efecto Leidenfrost es posible, en ciertas condiciones, sumergir brevemente los dedos en un recipiente con plomo fundido sin quemarnos.

La clave está es sumergir previamente la mano en un recipiente con agua para formar una fina película alrededor de los dedos. En contacto con el plomo líquido, el agua se vaporiza dificultando el paso de calor entre el plomo y la piel.

El experimento es muy peligroso y no es recomendable intentarlo ya que fácilmente podemos acabar con graves quemaduras en los dedos o en otra parte de nuestro cuerpo si no tenemos mucha experiencia en este tipo de actividades y conocemos a fondo todos los aspectos que pueden hacer que el experimento acabe en desastre.

Más información:

Jearl Walker(1), uno de los primeros en hacer el experimento, ha escrito un ensayo sobre el Efecto Leidenfrost en el que nos comenta sus propias experiencias. En su blog: flyingcircusofphysics.blogspot.com, podemos leer varias entradas relacionadas con este tema.

De David Willey(2), que también tiene experiencia en el tema, podemos leer un artículo en el Skeptical Inquirer sobre éste y otros experimentos sorprendentes. En el vídeo siguiente lo vemos realizando la experiencia en varios lugares:

__________
(1) Jearl Walker, es físico y profesor en la Cleveland State University. Es autor del libro Flying Circus of Physics.

(2) David Willey, es físico y profesor en la University of Pittsburgh. En su canal de YouTube podemos ver muchas experiencias interesantes.

Preguntas y Respuestas

Entre los libros de divulgación científica es popular el formato preguntas y respuestas. Esta popularidad viene de antiguo como se aprecia mirando las fechas de alguna de las ediciones que se mencionan a continuación:

Algunos clásicos

  • Ackerman, A. S. E. 1923. Popular Fallacies. (London: The Old Westminster Press)

“Explained and corrected. With copious references to authorities)”

  • Ackerman, A. S. E. 1925. Scientific Paradoxes and Problems. (London: The Old Westminster Press)

“Simultaneously broadcast from 2LO” ackermann_scientific_paradoxes_and_problems

  • Brewer, E.C. 1858. La clave de Las Ciencias. Manual para el conocimiento de los fenómenos comunes de la naturaleza. (Madrid: Calleja, López y Rivadeneyra)

“Traducido de la novena y última edición inglesa; obra acomodada á España en todo lo que varia por influencias atmosféricas y topográficas”

  • Formey, 1825. Definiciones y elementos de todas Las Ciencias. (Barcelona: Imprenta de Sierra y Martí).
  • Hampson, W. 1912. Paradojas de la Naturaleza y de la Ciencia. (Madrid: Daniel Jorro)

“Descripción y Explicación de hechos que parecen contradecir la experiencia ordinaria o los principios científicos”

  • Joyce, J. 1862. Scientific Dialogues. (London: Milner and Company)

“intended for the instruction & entertainment of young people in which the first principles of natural and experimental philosophy are fully explained. With two hundred wood cuts.”

  • Turner, 1830. Compendio de las Artes y Ciencias. (Madrid: Imprenta de D. L. Amarita)

“Extractado del que se enseña en las academias y escuelas públicas de Inglaterra. Acomodado por preguntas y respuestas a la inteligencia de la juventud española”

  • Zurcher, F. , 1863. La Ciencia para todos. (Barcelona: Imprenta del diario de Barcelona)

Algunas referencias actuales

  • Aguilar, J.; Senent, F. 1980. Cuestiones de física. (Barcelona: Reverté)

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Un clásico en España. Cientos de preguntas clasificadas en 52 capítulos. En un subtítulo se aclara: “ Cuestiones de física para los alumnos de primer curso de las facultades de ciencias y escuelas especiales” A pesar de lo anterior, se puede disfrutar de muchas de sus preguntas con unos conocimientos elementales de física.

  • Asimov, I. 1996. Cien preguntas básicas sobre la ciencia. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Epsteinn, L.C. 2002. Thinking Physics. (San Francisco: Insight Press)

Alrededor de 250 preguntas con sus respuestas detalladas, clasficadas en 11 categorías

  • Frova, A. 2008. Por qué sucede lo que sucede. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Ghose P.; Home D. 1995. Riddles in Your Teacup. (London: Institute of Physics Publishing)
  • Jargodzki, C.P 1986. Rompecabezas y paradojas científicos.( Barcelona: Salvat)
  • Jargodzki, C.P.; Potter, F. 2001. Mad about Physics. (New York: John Wiley)

Alrededor de 400 preguntas y respuestas, muchas de ellas con referencias blibliográficas, clasificadas en 12 categorías. Si hay que quedarse con uno solo este es uno de los candidatos.jargodzki_mad_about_physics

  • Jonas, A.R. 1999. Las respuestas y las preguntas de la ciencia. (Barcelona: Crítica)
  • Jou, D.,Baig, B., 1993. La naturaleza y el paisaje. (Barcelona: Ariel)
  • Langue, V. N. 1978. Paradojas y sofismas físicos. (Moscú: Mir)
  • Langue, V. N. 1984. Problemas experimentales ingeniosos de física. (Moscú: Mir)
  • Langue, V. N. 2011. Paradojas, sofismas y problemas recreativos de física. (Moscu: URSS)
  • Lévy-leblond, J. M. 1982. La Física en preguntas. Mecánica. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Lévy-leblond, J. M.; Butoli, A. 1986. La Física en preguntas. Electricidad y magnetismo. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Makovetski, P. 1995. ¡Mire al fondo de las cosas! (Madrid: Rubiños -1860)
  • Perelman, Y. 1995. ¿Sabe usted Física?. 2 Tomos. (Madrid: Rubiños -1860)
  • Potter, F. ; Jargodzki, C.P. 2005. Mad about modern physics. (New Jersey: John Wiley)

En torno a 250 preguntas y respuestas. Una continuación de “Mad about physics” de los mismos autores.walker_the_flying_circus_of_physics

  • Shaskol’skaya M.P.; El’tsin, I.A. 2013. Selected problems in physics. (New York: Dover)
  • Staguhn, G. 2004. ¿Por qué? (Barcelona: RqueR)
  • Tarásov L.; Tarásova A. 1976. Preguntas y problemas de Física. (Moscú: Mir)
  • Vergara, W.C.,1990. Science in everyday life .(London: Book Club)
  • Vinagre F.; Mulero, M.R.; Guerra, J.F. 2013. Cuestiones curiosas de química. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Walker, J. 2007. The flying circus of physics. (Chichester: John Wiley)

Mas de 900 preguntas y respuestas clasificadas en 7 categorías. El sitio http://www.flyingcircusofphysics.com es una extensión del libro con actualizaciones de las respuestas, vídeos y miles de referencias bibliográficas.

Si hay que quedarse con uno solo de los libros este sería un candidato.

  • Wolke, R.L. 2002. Lo que Einstein no sabía. (Barcelona: Robinbook)
  • Wolke, R.L. 2003. Lo que Einstein le contó a su barbero. (Barcelona: Robinbook)

Móvil perpetuo

La búsqueda del móvil perpetuo ha ocupado a multitud de inventores desde hace muchos siglos como así lo atestiguan los modelos y proyectos que se conservan. Aunque actualmente sabemos que no puede existir no perdemos la esperanza de estar equivocados.

La siguiente noticia la publicó el periódico El Pais el 12/08/2008

Más cerca del hidrógeno como combustible

… Se trata de conseguir que la rotura de la molécula de agua necesite menos energía que la que el hidrógeno proporcionará después. Para ello, según han publicado en Science, Daniel Nocera y Matthew Kanan han ideado un sistema que facilita el proceso. Se trata de añadir unos catalizadores (básicamente, fosfatos, una sustancia abundante en la Tierra, y cobalto) al agua antes de aplicarle unos electrodos para romperla (es lo que se conoce como electrólisis). Así, la reacción química resulta energéticamente favorable: se gasta menos en conseguir el hidrógeno que lo que se obtiene luego al quemarlo. Además, para que todo sea más limpio, usaron energía solar para las electrólisis …

Si gastásemos menos energía en conseguir el hidrógeno a partir de la rotura de la molécula de agua de la que luego proporciona la combustión del mismo, habríamos conseguido un móvil perpetuo de primera especie, esto es una máquina que no solo funciona de forma indefinida sino que produce más energía de la que consume. Desgraciadamente esto nos lo impide el primer principio de la termodinámica (principio de conservación de la energía).

Lo que Kanan y Nocera han conseguido realmente es desarrollar unos catalizadores que permiten utilizar la energía solar de forma eficaz para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno.

Popular Science. Octubre de 1920
Popular Science. Octubre de 1920

La búsqueda del móvil perpetuo de primera especie ha sido muy popular a lo largo de la historia hasta épocas muy recientes. Últimamente parece que los inventores ya conocen la primera ley y su búsqueda se ha desplazado hacia el de segunda especie: una máquina que funcione indefinidamente sin consumir energía. La segunda ley de la termodinámica impide la creación de este último móvil.

A la derecha, una ilustración de Norman Rockell para la revista Popular Science que en su número de octubre de 1920 dedica su portada a la construcción del  móvil perpetuo.

Brodianski, V.M., 1990. Móvil perpetuo antes y ahora. Mir. (Moscú:1990) es un interesante libro sobre el tema que puede verse en www.librosmaravillosos.com/perpetuum/index.html