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:

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(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.