Experimentació lliure

Un bloc de recursos per a les Ciències Experimentals

X reunió de divulgadors de ciència (DDD) a Lleida 2014

Posted by Lorenzo Ramírez a 25 setembre 2014

La reunió anual de divulgadors de Ciència (DDD) capitanejada per Manolo Fernández arriba a la seva desena ocasió, i aquesta vegada es celebrarà a Lleida, del 10 al 13 d’octubre.

Les sessions de les presentacions seran el dissabte 11 por la tarda i el diumenge 12 pel matí a l’edifici transfronterer de la Universitat de Lleida. A més dels divulgadors pot assistir qualsevol professor o professora que s’apunti a las jornades (contarà com un curset de 10 hores).

Al llarg de les dues sessions es presentaran unes 80 propostes amb un format de minipresentació. Bàsicament seran experiments de qualsevol àmbit científic, però també propostes didàctiques o de divulgació científica en general. Per aquells de vosaltres que us agradi el laboratori poden ser els dos dies que més bé us lo passeu en tot l’any!! (exagerant una miqueteta).

cartell jornades divulgacio
Una mostra de les comunicacions i els objectius de les jornades els podeu veure en el detall de l’activitat coorganitzada pel CRP del Segrià.

 

Posted in Esdeveniments, Experiments | Etiquetat: , | Leave a Comment »

Després de Ciència al carrer 2014 a Lleida

Posted by Lorenzo Ramírez a 28 maig 2014

Una vegada celebrada la 8a jornada de Ciència al carrer, he de dir que s’ha superat amb escreix l’èxit de participació d’altres edicions en número de centres, de divulgadors  i de públic assistent.  Els companys del CRP han penjat  un munt de fotografies amb totes les parades de la fira:

Baldufes en Ciència al carrer

-

 Aquí podeu veure un petit vídeo de Segre TV de les activitats del matí al Parc de l’aigua, i a sota el video del CRP.

 

 

Posted in Esdeveniments, Experiments, General | Etiquetat: , | Leave a Comment »

Ciència al carrer 2014 a Lleida

Posted by Lorenzo Ramírez a 10 maig 2014

Cartell Ciència al carrer 2014Per 8é any consecutiu es celebra als carrers del centre de la ciutat de Lleida la jornada de divulgació científica Ciència al carrer. Serà el proper dissabte 24 de maig, de 4 a 8 de la tarda.

Si mireu el programa veureu que participaran més de 40 centres i entitats i més de 20 divulgadors científics, el que suposa un rècord de participació i que manté capdavantera aquesta fira científica. El programa inclou activitats paral·leles a les exposicions dels participants en el transcurs de la fira, com són les visites al Planetari instal·lat a Caixafòrum, al carrer Blondel, al Pati de l’IEI amb activitats amb robots i projeccions, i les actuacions especials de l’Espai Agora, que és l’escenari destinat a exhibicions breus per part dels centres educatius participants.

No us heu de perdre el dia anterior, divendres 23 a les 21:30 h, la visita nocturna guiada al Castell de Templers (Turó de Gardeny) amb observació del cel nocturn (a càrrec de José Manuel Pérez Redondo i Anicet Cosials i amb l’actuació estel·lar de Juan Tomé). Tampoc, el matí del mateix dissabte 24, la visita guiada en el Museu de l’aigua a l’exposició itinerant La esfera del agua, amb vermut científic inclòs.

Us animo a tots i totes a apropar-vos a Lleida aquest dia en que gaudirem d’una festa de la ciència extraordinària que podeu complementar amb un plat de cargols a la llauna en el nostre famós Aplec del Cargol, i us recordo que en la web de Ciència al carrer hi ha informació d’aquesta i passades edicions, amb fotografies de les successives jornades i vídeos d’alguns del experiments mostrats.

 

Posted in Esdeveniments, Experiments | Etiquetat: , , | Leave a Comment »

Gotes d’aigua que corren cap amunt

Posted by Lorenzo Ramírez a 5 maig 2014

Fa uns dies, a través de la pàgina I Fucking Love Science, me va arribar la notícia que uns estudiants de la Universitat de Bath (Regne Unit), Carmen Cheng i Matthew Guy dirigits pel Dr. Takashina, havien construït un laberint en el que dipositaven gotes d’aigua que començaven a córrer fins que se sortien.

El laberint és un experiment espectacular que utilitzen els estudiants de la Universitat de Bath per difondre la ciència entre els escolars del seu districte i el públic en general, i que no defrauda mai.

L’efecte Leidenfrost

I … com és que corren les gotes d’aigua d’aquesta manera?. Començaré per explicar el fenomen físic més bàsic que hi és darrera: l’efecte Leidenfrost (Johann Gottlob Leidenfrost).  Pot ser no havíeu sentit parlar mai d’aquest efecte, però segur que l’heu vist alguna vegada, és el fenomen que es produeix quan unes gotetes d’aigua cauen sobre una superfície prou calenta. A casa això ho veiem normalment quan cau l’aigua a una paella (sense oli) o directament damunt de la vitroceràmica (no la d’inducció). L’altre dia una alumna me va dir que ho havia vist en caure-li aigua a la planxa del cabell, encara que no sé si està a prou temperatura. En tot cas parlem d’aigua però pot ser qualsevol líquid volàtil.

 

 

Ja en 1881, en el seu llibre de divulgació científica, El mundo físico, (hi ha una còpia en línia de la traducció al castellà de l’edició de 1893, tomo II, pp 646-647), Gillemin explica al gran públic els experiments que va fer Pierre Hippolyte Boutigny sobre aquest efecte, que en aquell moment anomenaven calefacció.

 

Experiment Boutigny

 

 

Les gotes d’aigua es comporten d’una forma tan curiosa que en el segle XIX van pensar que es tractava d’un nou estat de la matèria al que van anomenar Estat Esferoïdal. En aquest vídeo es veu molt bé què és el que passa en tirar gotes d’aigua a una superfície escalfada a diferents temperatures:

-

En quines condicions es produeix l’efecte?

Si la superfície en qüestió sobre la que cau l’aigua està a la temperatura adequada (uns 190 o 200 graus) les gotes, en lloc d’evaporar-se ràpidament, ballen com boges sobre aquesta. Com es veu en el gràfic de sota, a una temperatura inferior o superior de la superfície, l’energia que es transfereix a l’aigua augmenta amb la qual cosa augmenta la velocitat d’evaporació, i hi ha un mínim sobre els 200 ºC (punt Leidenfrost) on la gota d’aigua triga més en evaporar-se. De fet, pot arribar a trigar minuts (4 o 5) en evaporar-se.

Heat transfer leading to Leidenfrost effect for water at 1 atm

Això succeeix perquè es forma una capa de vapor en el punt en què la gota entra en contacte amb la superfície calenta, capa que actua com a aïllant, ja que condueix la calor pitjor que l’aigua líquida. És un efecte que pot arribar a ser molt perillós. Per exemple si es donés en un intercanviador de calor podria anar augmentant de temperatura i disminuint la transmissió de calor fins a provocar greus danys en l’aparell.

Tornem al laberint de la Universitat de Bath

Encara que el laberint és una construcció de l’any passat, el treball científic en el que es fonamenta ja havia estat notícia al 2006 (BBC News, Bloc Ciencia de Bolsillo, etc). En aquest treball de la universitat d’Oregó s’explicava el comportament de les gotes d’aigua en ficar-se sobre una superfície gravada escalonadament, i es proposava com aplicació que el moviment espontani de les gotes d’aigua sobre la superfície podia servir per refrigerar microprocessadors, per exemple (en aquell moment no se’ls hi va ocórrer fer un carrusel pel gaudi dels frikis).

 

El New York Times, acompanyant la notícia, va publicar  la infografía de sota en relació al mencionat article de Linke, H. i altres (2006) en el Physical Review Letters, en la que es fa referència l’aplicació pràctica de refrigerar microchips.

NYT Leidenfrost

 

Per resumir tot el que he comentat, aquí teniu un vídeo de la notícia del laberint de la Universitat de Bath fet per Sciencie Friday, on es fa una explicació global del que passa.

-

Més experiències sobre l’efecte Leidenfrost

(Moltes d’elles ja apareixen en el llibre de Guillemin)

• Tirar nitrogen líquid a la mà.

Si es deixa caure nitrogen líquid, aire líquid o altres gasos liquats rellisca sobre ella i cau sense fer cap mal ja que el nitrogen que s’evapora actua d’aïllant entre el líquid i la mà i tampoc deixa que hi hagi contacte directe. També és possible introduir la mà en un vas Dewar que contingui nitrogen líquid sense cremar-se, encara que jo no el recomano, per si de cas.

• Llepar un ferro candent

L’efecte Leidenfrost explica per què un mag pot sortir indemne, amb la seva llengua en perfecte estat, desprès de llepar un ferro candent gràcies a la humitat de la llengua que, en evaporar-se, evita el contacte directe amb el ferro.

• Ficar la ma humida dins un pot amb un metall fos

De la mateixa manera , es pot introduir amb impunitat, per un moment, la mà en un bany de plom fos, només cal que l’artista se humitegi prèviament les mans amb líquid volàtil, aigua, alcohol, etc. Es pot comprovar en un vídeo dels Caçadors de mites.

 

• L’experiment al revés: bola de ferro en aigua

Es pot, com Tyndall, revertir l’experiment col•locant una bola prèviament escalfada al roig en aigua freda. La bola metàl•lica tarda en refredar-se a l’aigua. Al principi l’aigua s’evapora poc, però quan la bola s’ha refredat prou, de cop comença a bullir l’aigual al voltant de la bola i se sent el soroll corresponent.

 

• Les gotes d’aigua no toquen la superfície calenta.

Si es tiren gotes d’aigua sobre una planxa (de planxar pantalons) a més de 200 ºC (ficant la roda del termòstat en cotó o lli) col•locada horitzontalment i es mirar al nivell de la planxa es veu que la gota (ha d’estar acolorida fosca) no toca la superfície plana sinó que es veu llum entre la gota i la superfície, com en l’experiment de Boutigny.

Si escalfem prou una reixeta (plena de forats), i tiren a sobre unes gotes d’aigua es queden damunt i no colen pels forats.

Si s’escalfa un recipient de coure (un morter, per exemple) a la temperatura de Leidenfrost i s’afegeix àcid nítric, no atacarà el metall ja que no hi arriba a estar en contacte directe.

• Experiment de Poggendorff.

Si connectem un dels pols d’una pila a una càpsula metàl•lica (una cullera sopera, per exemple) que escalfem a més de 200 ºC i l’altre pol a la gota d’aigua que sura damunt de la càpsula, no hi passarà el corrent elèctric. Si a continuació refredem la càpsula, l’aigua s’aplanarà i es posarà en contacte amb la càpsula, el circuit es tanca i passarà el corrent durant un moment ja que es vaporitzarà ara molt ràpidament. L’aigua s’ha d’acidificar una mica per tal que sigui bona conductora.

 

• La temperatura de la gota (d’aigua) és inferior a la temperatura d’ebullició del líquid.

Es fica en una gota d’aigua que està sobre la placa que escalfem (una cullera, per exemple) la punta d’un termòmetre metàl•lic i es comprova que la temperatura sempre es manté per sota de 100 °C (si no, ja no seria líquida).

 

Posted in Experiments, Física | Etiquetat: , , | Leave a Comment »

Ciència entre tots a Girona

Posted by Lorenzo Ramírez a 23 abril 2014

Ciència entre totsAquest proper dissabte 26 d’abril de 2014, Girona s’afegeix a les ciutats que organitzen una fira de ciència al carrer amb la participació activa de l’alumnat i professorat dels centres del territori. La iniciativa ha sorgit del Centre de recursos pedagògics del Gironès impulsada pel professor Tavi Caselles, del que recomano la pàgina web de Física i el bloc d’experiments que edita.

Durant el matí a la plaça Pompeu Fabra, entre la seu de la Generalitat de Catalunya a Girona i la Casa de Cultura, s’instal•laran les parades científiques per al gaudi de tota la ciutadania que vulgui apropar-se.

 

A més de les propostes dels centres educatius, també hi seran les actuacions de magnífics divulgadors de la ciència i un espectacle científic de gran format que realitzaran Pep Duran i Pep Anton Vieta a les 12 del migdia que titulen Reacciona… explota! al que podrà assistir-hi tothom, ja que hi haurà una pausa en la fira.

La diada te associat un bloc en el que es van penjant les experiències i/o activitats que els centres i el divulgadors presentaran en la fira.

cartell

 

Posted in Esdeveniments, Experiments | Etiquetat: , | Leave a Comment »

Microscopi de cartró

Posted by Lorenzo Ramírez a 12 març 2014

 A través de I fucking love science m’arriba la notícia de que un equip de bioenginyers de la universitat d’Stanford ha dissenyat un microscopi de cartró (FoldScope) que pot salvar vides ja que és capaç de detectar els paràsits de la malària, per exemple, i que es pot fabricar en sèrie per menys d’un euro.

 Concretament li assignen el preu de 0,97 $ a l’article en el que descriuen en detall les característiques del microscopi, quan el número de microscopis a fabricar és de 10.000 unitats.

Quan l’he vist, amb el que a mi m’agraden els ginys científics de paper que funcionen, he pensat. quina meravella!. I així és.

Els augments del microscopi depenen del tipus de lent utilitzada, però és capaç de veure les coses amb un augment de 2.000x. Per exemple, en la seva pàgina web ensenyen fotografies en les que es veuen mostres com les de sota preses amb un augment d’entre 140 – 1140x :

Imatges amb Foldscope

Com que el microscopi és quasi tot de paper, no es trenca si cau a terra (en el vídeo es veu que el trepitgen i desprès funciona). Es pot imprimir en un full de cartolina i muntar-lo afegint-li una lent, una pila botó i una llum LED, de manera que el microscopi funciona en poc més de deu minuts. Es pot personalitzar en funció del tipus de LED que serveix per il·luminar els porta. La bateria pot durar prop de 50 hores, lo que són moltes hores sense canviar-la, el que permet un munt de temps per explorar el món microscòpic en el diagnòstic d’una malaltia potencialment mortal (si fora el cas), o l’estudi d’una mostra al camp, o simplement per treballar amb la canalla. Etc.

tall del Foldscope

El Dr Manu Prakash és el director de l’equip que ha desenvolupat el FoldScope i ha estat donant conferències per tot arreu per tal de convèncer als metges de la seva utilitat com una eina de diagnòstic i també als profes i investigadors per tal d’utilitzar-lo a les aules i o com a un microscopi portàtil.

I després de tanta meravella, com es pot aconseguir?. Doncs bé, no hi ha més que apuntar-se enviant un correu (signup@foldscope.com) explicant-les com vols fer-lo servir i fent-les després un escrit en el que expliquis com ha anat l’experiència, ja que volen fer una publicació a la que anomenaran el “world’s most awesome biology/microscopy lab manual” on recopilaran totes les experiències del seu projecte”Ten Thousand Microscope Experiment

 )

-

Posted in Biologia, Fabricació d'eines científiques, Física | Etiquetat: , | Leave a Comment »

Reflexió interna total frustrada

Posted by Lorenzo Ramírez a 16 febrer 2014

La refracció i la reflexió interna total

Tots els profes de física expliquem el fenomen de la reflexió interna total. Quan un feix de llum incideix en la superfície de separació amb un medi que té un índex de refracció més petit que el de procedència, es reflecteix totalment quan incideix amb un angle d’incidència més gran que un donat per la relació dels respectius índex de refracció, anomenat angle límit.

Reflexio i refraccio

De fet, no només expliquem la utilitat de la reflexió interna total per a la transmissió d’informació en el cas de la fibra òptica, o per la simple transmissió de llum per a fer bonic (làmpades de fibra òptica), sinó també la de la seva frustració (refracció) en la construcció de sensors de pluja pels parabrises dels cotxes.

Lampara fibra optica

Sensor de pluja

En l’actualitat molts cotxes porten de sèrie un eixugaparabrises automàtic que es fica en marxa o s’atura en funció de que caigui aigua, o no, i que funciona de la següent manera:

sensor de lluvia

En el sensor, que normalment es troba en la part central superior del vidre davanter, un díode envia una llum infraroja a la làmina del parabrisa amb un angle de 45º, de manera que es produeixi la reflexió total en ell. El raig reflectit (amb la major part de la intensitat lluminosa) arriba a un sensor (fotodíode) que actua d’interruptor en un circuit.

Sensor de pluja

En ploure, l’aigua sobre el parabrisa produeix un canvi en l’índex de refracció del segon medi (abans passava del vidre (n ≈ 1,5) a l’aire (n = 1) i ara del vidre a l’aigua (n = 1,3)), de manera que varia la intensitat del raig reflectit, ja que una part es refracta. Això fa que ara la intensitat de llum que arriba al sensor sigui bastant menor que en condicions de sequedat, el que obre un circuit que actua sobre el eixugaparabrises, que comença a funcionar.

En el aquest enllaç teniu una explicació més detallada, que correspon al següent vídeo, prou il·lustratiu del fenomen:

-

La reflexió interna total frustrada (RITF)
Frustrated Total Internal Reflection (FTIR)

Però el títol de l’entrada no es refereix a aquesta frustració per refracció que pateix la llum en els sensors de pluja, sinó a un altre fenomen que jo desconeixia fins fa poc, concretament fins que vaig trobar-me amb una estupenda infografia de Vicente Torres Zúñiga en el seu bloc El Tao de la Física, on es veuen uns fotons tristos (frustrats) que salten el buit i s’allunyen en un altre medi, en lloc de reflectir-se interna i totalment (somrients) en el mateix medi des del que incidien.

frustrada_luz

Explica, com he fet jo abans, que la llum pot viatjar d’un mitjà de índex de refracció gran a un altre índex menor, però que després d’un cert angle d’incidència, la frontera ja no deixa passar la llum, es comporta com un mirall. (Reflexió Interna Total – RIT).

Però que si s’acosta prou un altre vidre al primer, la frontera es torna indefinida i la llum segueixi el seu trajecte original (refracció). De manera que encara que hi hagi un espai entre els dos vidres s’observa que la reflexió es frustra com en el cas de la refracció quan parlaven d’una gota de pluja sobre el vidre. Per això se li diu Reflexió Interna Total Frustrada – RITF.

Es deu a que quan la llum incident arriba a la frontera vidre – aire, es produeix una petita pertorbació de l’ona electromagnètica (ona evanescent), que s’endinsa en l’aire, però que disminueix la seva intensitat ràpidament, fent-se pràcticament zero (no hi ha refracció). Però quan s’apropa prou un altre vidre al primer, aquesta pertorbació es torna a transformar en llum i continua el seu camí sense desviar-se, de manera que la reflexió interna ja no és total.

El dibuix i les fotografies següents que il·lustren prou aquest fenomen estan tretes de l’article A visual classroom demonstration of frustrated total internal reflection as an analogue to optical tunnelling (Rabiya Salman et al 2013 Eur. J. Phys. 34 1439 – el document no és accessible sense pagar).

RITF

A continuació enllaço un parell d’experiments de RITF en Youtube, i un parell d’articles en els que tracten el fenomen en profunditat:  Zhu, S. i altres, Frustrated total internal reflection: A demonstration and review, Am. J. Phys. 54 (7), July 1986,  i Zoltán Vörös and Rainer Johnsen, A simple demonstration of frustrated total internal reflection, Am. J. Phys. 76  8, August 2008.

-

-

Com a broma diré que una prova de la “simplicitat” del fenomen és que va ser objecte de pregunta en la proba de l’Olimpíada de física de 2006 que va tenir lloc a Singapur (Part 3: Reflexió interna total frustrada)

A més de la caricatura, en l’entrada Luz frustrada: caricatura, Vicente Torres proposa una experiència casera per mostrar el fenomen de la RITF que consisteix en agafar got transparent i posa-li una mica més de la meitat d’aigua i mirar des de dalt com es veu a la foto. Es veurà l’efecte de mirall que suposa la reflexió interna total normal.

Després diu que si et mulles una mica els dits de la mà i tornes a agafar el got veuràs les teves empremtes digitals a través del vidre.

Si feu les dues coses veureu com, en mullar-vos les mans, apareixen els dits per art de màgia. És una experiència molt i molt xula, sorprenent. Però ….. en mullar-te les mans, es produeix la reflexió interna total frustrada o la simple (per dir-li d’alguna manera) refracció?

Crec que més aviat és lo segon, que és el mateix efecte que es produeix en el cas dels sensors de pluja, que per produir la RITF no s`ha d’afegir aigua entre el vas i els dits, el que s’ha de fer és apropar prou els dits al got, és a dir, prémer-los més, com diu el peu de foto del vas en l’article de Wiquipedia: “Quan un got d’aigua es manté fermament, les serralades que formen les empremtes digitals es fan visibles per reflexió interna total frustrada”.

Tornant a descriure l’experiment casolà del vas d’aigua, l’explicació vindria per aquí:

Si es mira cap avall un got transparent ple d’aigua que sostenim amb la mà, podem veure les protuberàncies que formen les empremtes dactilars en pressionar la mà amb força contra les parets de la copa. Però si es manté el got d’una manera més fluixa, no veurem les marques de les empremtes digitals contra les parets del vidre. Aquesta observació mostra el procés de “reflexió interna total frustrada”. Matemàticament, la base de la reflexió interna total és que una ona de llum incident en un límit entre dos mitjans amb un angle major que l’angle límit només pot existir en el medi d’índex més baix en la forma d’una funció exponencial en decaïment.

RITF

Reflexió interna total frustrada (RITF)

RIT
Reflexió interna total (RIT)

  

Normalment, l’ona transmesa decau exponencialment, i ràpidament tendeix a zero, de manera que tota l’ona es reflecteix dins el vidre quan la llum incident sobrepassa l’angle límit.

Refrac_total_quant

No obstant això, si el un segon mitjà es troba només a una curta distància, l’ona es pot transmetre a través d’aquesta regió “prohibida” ja que la forma exponencial de l’ona no decau totalment a zero, sinó que s’uneix a una ona a l’altra banda. Per tant, la probabilitat de transmissió de l’ona de llum a través d’una barrera és una funció exponencial de l’amplada de la barrera, exactament com en el cas dels electrons passant a través de barreres en l’efecte túnel de la mecànica quàntica.

Refracció

Refracció (mans mullades)

Així que, per què apareixen les empremtes digitals en pressionar amb força en un got?. Quan es pressiona fermament els dits contra el vidre, només existeix una capa molt petita d’aire entre les crestes de les empremtes dactilars dels dits i el vidre. Per tant, entre les crestes de les empremtes digitals i el vidre la quantitat d’aire es redueix prou perquè tingui lloc l’efecte túnel en la llum que travessa del vidre a l’empremta, i no es vegi la reflexió total en les crestes de les empremtes.

Si les mans estan mullades, la llum es refracta del vidre a l’aigua, es reflecteix en els dits, torna a refractar-se de l’aigua al vidre, i segueix el seu camí, refracció darrera refracció, fins arribar al nostre ull. En aquest cas es veuen tots els tous dels dits, com a la foto

Aquest fenomen és la base d’alguns tipus de pantalla tàctil. Com a exemple podeu mirar aquest projecte en micro-funding, per arribar a construir una pantalla tàctic comercialitzable.

88fd00a3acf39c9b2b680000ad018c8f_large

Posted in Experiments, Física | Etiquetat: , , , | Leave a Comment »

Coses que giren de forma curiosa

Posted by Lorenzo Ramírez a 15 gener 2014

Les coses que giren sempre m’han fascinat, de fet crec que hi ha molta gent a la que els hi agraden, encara que no sàpiguen ben bé què és el moment angular. De petit havia jugat força amb baldufes de diferent tipus, la clàssica de fusta i cordill, la perinola dels “Juegos reunidos”, virolets, etc., i de més gran vaig conèixer el “Tippe top”. Baldufa girantTambé m’he entretingut amb altres coses que giren com són els ous durs i pedres de formes vàries, i recentment he trobat un parell d’objectes (un disc i un cilindre) que giren de forma prou curiosa com per animar-me a fer aquesta entrada al bloc.

La Baldufa

Baldufes hi ha de múltiples formes, materials i grandàries, però totes elles tenen la part de baix d’una forma quasi cònica, acabant en punxa. Podeu veure algunes a La baldufa, i fins i tot associar-vos en la mateixa plana web amb altres amants de les baldufes

Baldufes

Baldufes (Font Turnertoys, via Wikimedia commons)

De fet, una baldufa normal ja és ben estrany com gira sense caure, sembla mentida que no caigui inclús quan se li dona un cop petit o quan se li fica a girar inclinada d’entrada, per molt que el seus moviments de gir, de precessió i nutació estiguin ben estudiats i es puguin arribar a entendre amb algunes nocions de la part de la mecànica anomenada Sòlid rígid. En aquest article de wikipèdia està prou ben explicat.

Una baldufa que no gira cau com qualsevol objecte en el que la vertical del seu pes no troba cap base de sustentació. Però si gira sobre el seu eix de simetria, aconsegueix tenir una propietat física anomenada moment angular, L, que ajuda la virolla a no caure, encara que en contrapartida ha de fer un gir complementari anomenat precessió, al voltant d’un eix vertical. L’anàlisi teòric del moviment de la baldufa porta a la següent equació que regeix de forma aproximada (no està contemplada la nutació) el seu moviment, i el dels moviments giroscòpics en general:

W = M/I·w.

On W és la velocitat angular de precessió, M és el moment de les forces que actuen sobre la baldufa (depèn de l’angle d’inclinació de la baldufa, j, quant més inclinada, més moment), I és el moment d’inèrcia (més gran quant més aplanada sigui la baldufa) i w és la velocitat angular de la baldufa

La precessió és el moviment associat amb el canvi de direcció en l’espai que experimenta l’eix instantani de rotació d’un cos. (Font Caliver [Public domain], via Wikimedia commons)

La precessió és el moviment associat amb el canvi de direcció en l’espai que experimenta l’eix instantani de rotació d’un cos. (Font Caliver [Public domain], via Wikimedia commons)

De l’equació es pot deduir que la velocitat angular de precessió és més gran quant més gran és el moment de les forces, i per altra banda, quant més lenta és la velocitat de rotació més gran serà la velocitat angular de precessió. Això el podeu comprovar ràpidament amb una baldufa. Quan la fiqueu a girar, com la velocitat angular és gran, es manté el burot pràcticament dret, però després, amb el fregament amb el terra i amb l’aire es va frenat la rotació i es va inclinat una mica, i en disminuir la velocitat angular i augmentar el moment del pes, la baldufa comença un moviment de precessió que poc a poc va augmentant la seva velocitat angular i perdent l’equilibri fins que al final cau.

El virolet rodó o Tippe top

Però entre tots els virolets hi ha un de més curiós, tant que no és una baldufa ja que no té la part de baix en punxa sinó arrodonida. Es diu Tippe top o baldufa de Thomson (es veu que Thomson ja es dedicava en el seu temps a ensenyar física amb joguines)

Virolet rodó    Tippe top

A finals del segle XIX (1890) els precursors dels tippe tops ja van aparèixer en unes lectures del professor John Perry que es van convertir en 1910 en un llibre titulat Spinning tops (pag 74), al 1891 ja van ser patentades i a meitat del segle passat van ser tornades a patentar i es van vendre com a xurros, encara que jo no les vaig descobrir fins ara fa 20 anys en una botiga d’articles de festa.

Quan el Tippe top gira a suficient velocitat amb al part esfèrica a baix, a poc a poc comença a inclinar-se fins que el palet toca a terra, el virolet se capgira i continua girant amb la part esfèrica en la part de dalt. Quan la velocitat angular decreix, el virolet torna a la seva posició normal.

Els fisics Wolfgang Pauli i Niels Bohr observant una baldufa tippe-top. a la inauguració del nou Institut de Física en Lund, Suède, en juliol de 1954. (Per Pieter Kuiper via Wikimedia Commons)

-

-

Aquest comportament del Tippe top resulta ben curiós ja que quan gira capgirat recolzant-se en el palet és evident que el seu centre de masses es troba més amunt que quan gira en la posició inicial (la normal per les baldufes) i, per tant, la seva energia potencial gravitatòria és més gran i tots saben que els sistemes tendeixen a les situacions de mínima energia.

L’explicació detallada (i complicada) de la física del moviment d’aquest virolet la podeu trobar en castellà (J. Güélmez, professor de la Universitat de Cantàbria, 2007), en francès (Luc Gauthier et Jean Delsarte, 1996) i en anglès (Antonis Vakis, 2007), estant la clau de per què es capgira en dos aspectes que tenen a veure amb la forma arrodonida del Tippe top: el fregament continu de l’esfera amb el terra sobre la que gira i el fet que, en inclinar-se una mica, el seu centre de gravetat s’aixeca en lloc de baixar, com ho fa en les baldufes tradicionals.

De fet aquest comportament no és exclusiu del virolet rodó. Els ous durs i moltes pedres de riu es fiquen drets en fer-los girar, i també els balons de rugby.

Pedres de la vora el mar

Pedres de la vora el mar

moviments que ja l’explicava John Perry en el llibre Spinning tops (1910) , ja comentat abans, en la pàgina 69, sent el seu comportament explicable en termes similars al del virolet Tippe top.

      “And I will now show you the curious phenomenon that puzzled him that year. This ellipsoid (Fig. 31) will represent a waterworn stone. It is lying in its most stable state on the table, and I give it a spin. You see that for a second or two it was inclined to go on spinning about the axis A A, but it began to wobble violently, and after a while, when these wobbles stilled, you saw that it was spinning nicely with its axis B B vertical; but then a new series of wobblings began and became more violent, and when they ceased you saw that the object had at length reached a settled state of spinning, standing upright upon its longest axis. This is an extraordinary phenomenon to any person who knows about the great inclination of this body to spin in the very way in which I first started it spinning. You will find that nearly any rounded stone when spun will get up in this way upon its longest axis, if the spin is only vigorous enough, and in the very same way this spinning top tends to get more and more upright.”

Fig. 31

Fig. 31

 

-

Spinning Disk Trick

Seguint en la mateixa línia, recentment vaig descobrir el que interpreto com una variant moderna de la Tippe top i que és precisament el motiu que em va impulsar a repassar els objectes que giren i pel qual me va semblar interessant escriure una notícia al bloc.

En el següent vídeo s’explica com és l’Spinning Disck Trick i com gira

I en aquest segon vídeo s’avança un explicació del comportament tant interessant que té aquest disc en gira, encara que, tal com diu ell mateix, ni el que la fa se l’acaba de creure.

Les dimensions del disc guarden unes proporcions aproximades a les del dibuix de sota. Jo mateix he construït un disc amb truc amb dos discos CD empegats als que els hi he fet un forat, que funciona si fa o no fa com el del vídeo. Suposo que si un te un amic fuster no li serà difícil aconseguir una rèplica.

Disc amb truc          Tippe top

Aquestes dimensions guarden un paral·lelisme amb les de la Tippe top, ja que la proporció entre l’àrea total del dics amb truc i la seva part buida és similar a la proporció de l’àrea del tall vertical d’una baldufa Tippe top i el que li faltaria per ser un cercle.

El cas és que si es fica a girar el disc amb truc amb el forat en la part de baix, el disc gira en aquesta posició establement, però si es parteix de la situació en la que el disc te el forat en la part de dalt, que és la situació de menys energia potencial, el disc, en girar, tendeix a capgirar-se i ficar-se amb la part foradada a sota de forma similar, encara que no tant estable com ho fa el Tippe top.

Baldufa regiradora

(Baldufa regiradora, peonza celta, rattleback)

Aquesta baldufa, que sembla una pedra de riu allargada te la particularitat que gira molt bé en un sentit però si es fa girar en sentit contrari al cap de poca estona s’atura i gira en sentit contrari. Si li fas balancejar-se comença a girar. Curiosa, però sosa.

Aquí teniu l’explicació de Francisco R. Villatoro dels moviments (i moltes més coses) d’aquesta baldufa i d’aquí us podeu baixar un article de A. Garcia and M. Hubbard de títol Spin Reversal of the Rattleback: Theory and Experiment que no se’l salta un saldador de perxa.

Aquí teniu un altre vídeo en el que es veu una baldufa regidadora feta amb una cullereta

-

Cilindre girador

Per últim presento el Cilindre girador, que no és una baldufa, però també gira, i no vegis de quina forma tant curiosa. Donald E. Simanek explica que qui li va ensenyar aquest cilindre va ser Martin Gardner, però que no tenia cap referència, ni sabia com se deia la joguina. Jo no l’havia vist mai i la únic altra referència escrita que he trobat és de la pàgina del museu Exploratorium de San Francisco, on Paul Doherty fa una mica d’explicació del fenomen.

Spinning cilyndre

El cas és que quan tens el cilindre sobre una taula i prems un dels extrems amb un dit fins que llisca, comença a girar de manera que l’únic color que es veu (quatre o cinc vegades en cada volta) és el que hi era a sota del dit abans de començar a girar, ni rastre de l’altre color.

Cilindre amb dit

És molt fàcil de fer ja que les dimensions no són crítiques, i funciona l’efecte sense problemes. Per fer-lo he retallat un bocí de tub de PVC dels utilitzats en electricitat al que he empegat dos enganxines de color als extrems. El que ja no és tant fàcil és esbrinar com funciona.

Des de Veritasium ens mostren el fenomen i ens aporten una explicació en tres vídeos successius.

-

Posted in Física, Joguines | Etiquetat: , , , , , , , | Leave a Comment »

Oïda!, caiguda lliure

Posted by Lorenzo Ramírez a 1 desembre 2013

Fa un mes va tenir lloc la IX Reunió de Divulgadors de Ciència en la que vaig participar amb l’experiment que us explico a continuació.

L’experiment

Caiguda bitlles

Dibuix del llibre Experimentos con hilo y cinta adhesiva

Experimentos con hilo y cinta adhesiva (Edge, R.D., 2002, Ed. American Physical Society) és un llibre extraordinari que tinc llistat en Llibres i repositoris digitals de treballs pràctics de Física i de Química.

Entre els experiments que inclou està l’1.22, L’acceleració de la gravetat, on proposa

1.- Que es tallin 2 fils de longitud igual a l’altura de l’habitació, o tan llargs com un estudiant pugui assolir al ficar-se sobre una cadira (uns 2,50 m d’alçada), de manera que en un dels fils s’enganxen amb cinta adhesiva bitlles a intervals de 60 cm, i en l’altre fil s’uneixen les bitlles a intervals proporcionals al quadrat dels nombres enters.

2.- Després l’estudiant s’ha de ficar-se de peu sobre una cadira sostenint els 2 fils com es mostra a la figura (la primera bola a penes haurà de tocar el pis). Primer deixarà caure el fil que té les bitlles uniformement espaiades, i a continuació deixarà caure l’altre fil.

Els xocs que fan les boletes en arribar a terra s’escoltaran més fàcilment si es deixen caure els fils en un recipient metàl·lic.

I pregunta al lector:

En el primer cas, s’escoltarà que el temps entre els clics es redueix a mesura que les bitlles que estaven més altes arriben a terra?. En el segon cas, serà ara igual el temps entre clics consecutius?

La meva proposta inicial

Em vaig dir: quina experiència més guapa!. I ben decidit, vaig aconseguir una sèrie de femelles i vaig muntar dos fills amb les femelles enganxades a les distàncies següents:

Taula 1

Taula 1

De manera que l’altura a la que arribaven era màxim 2 metres i ja no calia ni que me pugés a una cadira.

FemellesVaig agafar una i altra corda i les vaig deixar caure sobre el terra. Quina desil·lusió!, gaire bé no es sentia més que un soroll fluix indeterminat. Bé, pot ser es millori l’experiència si es fica una llauna a sota, i en xocar les femelles farien més soroll.

Vaig tornar a repetir l’experiència i, ara si, ara es sentia una sorollada forta, … però inclassificable!. No diré indistingible perquè eren una mica diferents, però sense criteri per assignar el soroll a una corda o altra (so intervals regulars o so a intervals creixents).

A veure, doncs, què he fet malament?, no és veritat que …..

Les femelles que estan més amunt estaran accelerades per més temps que les femelles de baix i es mouran més ràpidament, cobrint la mateixa distància en un temps més curt a mesura que s’aproximen al terra?, i per tant, que si estan col·locades a intervals regulars d’espai en la corda, xocaran amb el terra cada vegada a intervals més curts de temps?.

I que en el segon cas, en el que la separació entre les femelles de més amunt és més gran que les de baix, tot i que les seves velocitats d’arribada seran més elevades, el temps que hi haurà entre impactes serà el mateix?.

Penseu que les femelles cauen pràcticament en caiguda lliure, i en aquest cas la fórmula per calcular la distància recorreguda sota l’acció de la gravetat és h = 1/2 g·t2 (on h és l’alçada inicial de la femella i t és el temps que triga en arribar a terra ). Com que he espaiat les femelles en intervals tals que les arrels quadrades de les altures successives són proporcionals a nombres enters i consecutius, el temps entre successius xocs a de ser constant. Si es fan els càlculs resulta:

Taula2

Taula 2

Resulta que en el millor dels casos els intervals de temps entre xoc i xoc són de menys d’una dècima de segon. Pot ser algun jove sigui capaç de distingir-los, un servidor, de cap manera.

Vaig tornar al llibre dels experiments amb fil a (re)veure què és el que realment proposaven (no el que vaig entendre), i llegint amb deteniment me’n vaig adonar que els intervals als que lliguen les bitlles i els temps corresponents eren els de la taula 3. De fet, en el dibuix no hi ha més que cinc bitlles a cada cordill, el que a mi, d’entrada, me va semblar molt poca cossa, només quatre “cloncs”?.

Taula3

Taula 3. Proposta del llibre Experimentos con hilo y cinta adhesiva

La reconsideració de l’experiment

Bé, i arribats a aquest punt, què fem?. Es poden plantejar tres alternatives:

La primera és fer l’experiment seguint fil per randa el que indica l’autor del llibre. Quatre bitlles o femelles lligades als cordills fins una altura de 2,40 m i una llauna al terra. Se suposa que malgrat tinguem l’oïda dura serem capaços de distingir sons a intervals de quasi dues dècimes de segon, que és el que passa en un dels casos.

Una altra possibilitat és, mantenint alts els intervals de temps (dues dècimes de segon), augmentar el nombre de femelles fins a vuit (8) o deu (10), el que implica allargar molt les cordes i, per tant, disposar d’unes escales amb forat des d’on deixar caure les peces. Pot resultat una experiència espectacular per un dia especial.

La tercera proposta és millorar la oïda amb una tecnologia que està a l’abast de tothom (us ben asseguro que és més difícil trobar femelles grosses). Me refereixo a utilitzar un micròfon amb un ordinador que tingui instal·lat un programa de gravació i tractament de so, com és l’Audacity (tutorial en castellà). Aquest programa permet gravar sons i analitzar-los. Per exemple en el nostre cas, mesurar els intervals de temps entre els diversos xocs enregistrats, de manera que les dades obtingudes permeten estudiar quantitativament el moviment de caiguda lliure i calcular l’acceleració de la gravetat.

A sota teniu les gràfiques obtingudes amb les caigudes de les femelles lligades als cordills a distàncies de 20 cm entre si i amb distàncies entre si creixents (5, 20, 45, 80, 125, 180), respectivament. A simple vista s’observa que en un cas els intervals són iguals, i en l’altre són cada vegada més petits.

Caiguda intervals regulars 20cm

Soroll de la caiguda de les femelles amb una distància de 20 cm entre si

Caiguda intervals regulars temps

Soroll de la caiguda de les femelles amb distàncies entre si creixents (5, 20, 45, 80, 125, 180)

L’actuació a la reunió de Salamanca

El públic assistent a la reunió de divulgadors va protestar tímidament quan vaig intentar fer-li combregar amb rodes de molí i fer-li creure que es podia distingir a simple oïda els dos conjunts de sorolls que es van produir en deixar caure els cordills amb les femelles lligades a intervals massa petits. Si presentava un experiment, és que havia de funcionar, no?. Però, per altra banda, no semblava que funcionés gaire … . Bé, al final crec que varen poder aclarir la situació.

-

Posted in Experimentació assistida per ordinador, Experiments, Física | Etiquetat: , , , , | Leave a Comment »

IX Reunió de Divulgadors de Ciència (DDD) Salamanca 2013

Posted by Lorenzo Ramírez a 29 novembre 2013

Els passats dies 1,2 i 3 de novembre va tenir lloc a Salamanca la IXa Reunió de divulgadors de ciència (DDD). Es va fer a la Residència dels Pares Paüls de Santa Marta, que és un edifici imponent que disposa d’una bona sala d’actes, que és on es van fer les exposicions, i també d’habitacions, on varem estar allotjats estupendament la majoria dels assistents.

Pares Paules Salamanca

Astronauta Catedral de SalamancaSalamanca no necessita presentació, així que només recomanaré per la relació que tenen amb la divulgació científica dos llocs. Un és la porta nord de la Catedral Nova, enfront del Palau d’Anaya, on es pot observar l’anacrònica figura d’un astronauta esculpida en 1992 pel picapedrer Miguel Romero, que va seguir la nova tradició d’incorporar un element contemporani en les restauracions.

L’altre lloc “científic” a visitar és el Museu del cinema, que presenta l’exposició permanent Artefactes per fascinar, del cineasta Basilio Martín Patino, que mostra més de dos-cents aparells i imatges sobre el naixement i evolució del setè art. És un museu petit, però fascinant.

projector

Tornant a la reunió, comento que van assistit més de 150 divulgadors de tota Espanya que van poder gaudir de més de 70 comunicacions (microponències, ja que la durada teòrica màxima ha de ser de 4 minuts). Un any més Manolo Fernàndez va organitzar una trobada d’un nivell i un interès fora mida, i després ha preparat un resum de les presentacions que teniu en les diapositives de sota.

-

NOU: El 29 de gener de 2014, els companys del museu Pincipia de Màlaga han penjat els vídeos amb les presentacions de la Reunión. Són dos vídeos corresponents a les sessions del divendres i el dissabte:

-

-

Posted in Esdeveniments, Experiments | Etiquetat: , , | Leave a Comment »

 
Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

Join 32 other followers