Proyectos Escolares de Ciencia

Fuente: Ciencia.com

Así pues, la fuente de energía preferida del cuerpo humano podría algún día producir electricidad para nuestros aparatos, vehículos y hogares.

“Los carbohidratos son ricos en energía”, subraya el profesor de química Gerald Watt, de la Universidad Brigham Young. “Necesitábamos un catalizador que extrajera los electrones de la glucosa y los transfiriera a un electrodo”.

Y la sorprendente solución resultó ser un herbicida común.

La efectividad de este herbicida barato y abundante es una gran ayuda para las células de combustible basadas en los carbohidratos, que pueden así ver aumentada su rentabilidad. En cambio, células de combustible basadas en el hidrógeno, como por ejemplo las de la compañía General Motors, necesitan al costoso platino como catalizador.

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El próximo paso para el equipo de la universidad es aumentar la energía cosechada. Y esperan lograrlo mejorando el diseño, algo que ya está dando sus primeros frutos.

En los experimentos realizados, se ha logrado un promedio de conversión de un 29%, o la transferencia de 7 de los 24 electrones disponibles por cada molécula de glucosa.

“Demostramos que se puede obtener mucho más de la glucosa de lo que se ha conseguido hasta el momento”, explica Dean Wheeler, uno de los autores del estudio y profesor de ingeniería química en la Academia Fulton de Ingeniería y Tecnología, de la Universidad Brigham Young. “Ahora intentamos aumentar la densidad energética para que la tecnología sea más atractiva desde el punto de vista comercial”.

Una curiosidad sobre Gerald Watt es que es pariente de James Watt (1736-1819), el inventor de la máquina de vapor, por lo que la coincidencia de apellidos no es casual, ni quizá tampoco la de vocaciones en el campo de la energía.

¿Cómo funciona la tecnología de la celda de hidrógeno?

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Materiales relacionados

• Página de la Universidad Brigham Young
• ¿Cómo funciona el invento de Watt? (Escrito por su coautor)
• Página de animaciones de celdas de hidrógeno

Ecualizador de llamas

Leyendo un post del Dr. Albert Gras sobre el Tubo de Rubens me interesó la manera tan fácil de ver las ondas sonoras en acción.
Una descripción del fenómeno pueden hallarla en esta dirección http://curiosoperoinutil.com/2006/10/30/ecualizadores-de-propano/
Un vídeo ilustrativo en castellano:

El vacío en la antigüedad

 En la Antigüedad y el Renacimiento la existencia de la presión atmosférica era desconocida. En Grecia, respecto al vacío, exisitieron dos teorías. Para Epicuro y sobre todo Demócrito (420 a. C.) y su escuela, la materia estaba compuesta por pequeñas partículas indivisibles (átomos) que se movían en un espacio vacío.

Por el contrario, Aristóteles excluía la noción de vacío y para justificar los fenómenos que su teoría no podía explicar recurría a la expresión “la Naturaleza siente horror al vacío”. Las ideas de Aristóteles predominaron durante la antigüedad hasta el Renacimiento.

• Capítulo II del libro “Biografía del vacío”: Concepciones del vacío en la Antigüedad
• Obra “Física” de Aristóteles. En el libro IV trata sobre la naturaleza del vacío

El propio Galileo usó el término ”horror vacui” para explicar ante sus discípulos el hecho de que una columna de agua en un tubo cerrado por su extremo no se desprenda si este ha sido invertido estando sumergido el extremo libre del mismo dentro del agua. Sin embargo, transmitió a sus discipulos el interés por encontrar una explicación a los antigüos experimentos relacionados.

El descubrimiento de vacío

A mediados del siglo XVII el italiano Gasparo Berti realizó el primer experimento con el vacío (1640). Motivado por un interés en diseñar un experimento para el estudio de los sifones, Berti pretendía aclarar el fenómeno como una manifestación de diferencia de presión de aire en la atmósfera. Creó lo que constituye, primordialmente, un barómetro de agua, el cual resultó capaz de producir vacío.

Al analizar el informe experimental de Berti, Evangelista Torricelli captó con claridad el concepto de presión de aire, por lo que diseñó, en 1644, un dispositivo para demostrar los cambios de presión en el aire. Construyó un barómetro que en lugar de agua empleaba mercurio, y de esta manera, sin proponérselo, comprobó la existencia del vacío.

• Discurso: “Torricelli, Pascal y el problema del vacío” (Egidio Festa)

Tecnología del vacío en la actualidad

 Otras aplicaciones

Ascensores neumáticos

Conservación de alimentos (empacado al vacío)

Empacado al vacío (producción artesanal en regiones andinas del Perú)

Proyecto escolar de fabricación de moldes al vacío

Resumen del trabajo de: Cristina Trillo, Félix Quintero, Fernando Lusquiños. Departamento de Física Aplicada, Universidad de Vigo. E.T.S.I. Industriales, Campus Universitario. 36310 Vigo

Los experimentos con cámaras de vídeo pueden considerarse ya una herramienta clásica en la enseñanza de la física por su utilidad a la hora de clarificar conceptos, especialmente en el campo de la mecánica. Nosotros proponemos una práctica de medida del coeficiente de restitución, pensada para complementar el temario de colisiones.

La medida de la elasticidad de un choque entre dos cuerpos A y B suele expresarse mediante el coeficiente de restitución e. Los textos de física introducen el concepto al tratar las colisiones unidimensionales, y lo definen en función del cociente entre las velocidades relativas final e inicial de los cuerpos que entran en contacto. En nuestro caso, el suelo (A) y la pelota (B). Se sabe que las velocidades final e inicial del suelo es cero.

El rango de valores que toma e está comprendido entre 0, en el caso de un choque totalmente inelástico, y 1 para una colisión perfectamente elástica.

Los experimentos tendientes a calcular el valor de e son variados. Un experimento sencillo es la determinación de e en función de la altura inicial y la alcanzada por la pelota tras su primer rebote (h₀ y h₁ respectivamente). Si se usan las ecuaciones de la caída libre, se llega a las siguientes expresiones:

El sistema videométrico

En un experimento videométrico, una videocámara adquiere una secuencia de imágenes del proceso a estudiar. En los fotogramas se registra también la posición y/o el tamaño de uno o varios puntos de referencia, de posición y/o longitud conocidas, que sirven para calibrar las medidas realizadas sobre las imágenes.

Desde hace algún tiempo se pueden encontrar videocámaras a un precio reducido y con excelentes prestaciones, por lo que proponemos realizar las medidas con un sistema videométrico elemental con los siguientes materiales:

• Una videocámara convencional, que permita adquirir secuencias de imágenes, de varios segundos de duración, a razón de 25 fotogramas por segundo como mínimo. Si la videocámara es analógica, se deberá disponer también de una tarjeta digitalizadora.
• Un trípode.
• Un balón de reglamento de algún deporte (por ejemplo, baloncesto).
• Una regla rígida de aproximadamente 1 m. Debe estar siempre en el campo de visión para ser la referencia de calibración.
• Un computador personal.
• Un programa de edición de vídeo y otro de edición de imágenes instalados en el computador. Si la videocámara no proporciona un vídeo de salida en uno de los formatos habituales (avi, mpg, divx, etc.) ha de disponerse también de algún programa conversor de formato. En la actualidad es posible encontrar en Internet multitud de programas gratuitos y que sirven con creces para nuestros propósitos.

Con estas herramientas se mide sobre las imágenes tanto la altura inicial del balón como la del primer rebote y, a partir de estos datos, se calcula el coeficiente de restitución.

Este enfoque nos parece particularmente apropiado para las asignaturas antes mencionadas, pues permite relacionar de un modo directo la actividad en el laboratorio con la práctica real de un deporte. En efecto, la normativa de la Federación Internacional de Baloncesto (FIBA) en lo que se refiere al equipamiento determina que “El balón se inflará a una presión de aire tal que, cuando se deje caer sobre la superficie del terreno de juego desde una altura aproximada de 1,80 m, medida desde la parte inferior del balón, rebote hasta una altura aproximada, medida hasta la parte superior del balón, de entre 1,20 m y 1,40 m” (FIBA, 2004). Esto es muy semejante a especificar el rango de valores del coeficiente de restitución que puede tener un balón apto para ser usado en competición. Un método similar se emplea también para especificar cuál debe ser la rigidez del tablero.

Los resultados que se muestran en este trabajo fueron obtenidos con una videocámara JVC Everio GZ-MG135, con una frecuencia de adquisición de 25 fotogramas por segundo. La cámara graba la secuencia de fotogramas en formato .mod, que se convierte a un fichero en formato .avi con el programa TotalVideo Converter, gratuito en su versión de prueba. Para abrir el vídeo en formato avi se utiliza el programa VirtualDUB, versión 1.7.8. Esta aplicación permite reproducir el vídeo paso a paso y copiar los fotogramas deseados, que posteriormente se guardan en formato TIFF. Para medir la altura de los rebotes se emplea el programa de edición de imágenes GIMP (acrónimo de GNU Image Manipulation Program), que dispone de una herramienta de medida automática de ángulos y distancias muy útil para nuestros propósitos. Ambos programas son de código abierto y se distribuyen bajo la licencia GNU General Public License (GPL).

Metodología

La videocámara se sujeta al trípode y se coloca aproximadamente a 1 m del suelo. La regla, que se utiliza para calcular los valores en metros de las alturas inicial y final, se coloca dentro del campo de visión de la cámara, a una distancia aproximada de 10 m enfrente de la cámara. Al lado de la regla, y a la misma distancia de la cámara, se deja caer el balón desde una altura de ~1,5 m, procurando no imprimirle rotación alguna. Se intenta así que la dirección del rebote tenga casi exclusivamente una componente vertical. La adquisición de fotogramas se inicia cuando el balón se halla en reposo a la altura h0 y termina después de que éste haya detenido. Con el programa de edición de vídeo se abre la secuencia resultante; se identifica el fotograma en el que el balón se halla a la altura inicial h0, el fotograma en el que alcanza la altura máxima h1 tras el primer rebote, y ambas imágenes se guardan en uno de los formatos habituales (JPG, TIFF, etc.).

Con el programa de edición de imágenes se miden h0 y h1 en píxeles, y aplicando la ecuación de las alturas se obtiene el coeficiente de restitución. Para conocer el valor en metros de ambas distancias, se puede poner al costado de la trayectoria del balón una cinta métrica confeccionada especialmente para las longitudes de la caída.

Una vez hechas las medidas, se puede pedir a los alumnos que determinen si el balón que han utilizado cumple la normativa de la FIBA sobre equipamiento que se indica en la introducción.

Resultados y discusión

El objeto seleccionado es un balón de baloncesto de reglamento que se deja caer desde la altura de un brazo extendido horizontalmente sobre un suelo sintético para interiores. La misma persona que deja caer el balón sostiene una regla de madera de 1 m, apoyada verticalmente en el suelo. El experimento se repite dos veces. De ambos vídeos se extraen cuatro fotogramas para medir la altura inicial del balón (h0), la altura inicial tras la primera colisión (h1) y, con el objeto de obtener varios valores del coeficiente de restitución, las alturas alcanzadas tras las siguientes dos colisiones (h2 y h3).

Materiales relacionados

• Artículo de referencia
• Medir el coeficiente de restitución es muy fácil
• Video digitalizado como herramienta en el laboratorio de física
• Digitalización de imágenes para estudiar el movimiento
• Utilizando el análisis del video digital en proyectos de física
• Usando vídeos digitales para estudiar el movimiento
• Un estroboscopio barato
• Software VirtualDUB
• Software The Gimp

“Las plantas también recurren con frecuencia a la comodidad que les ofrece el planeador, para propagar sus semillas y frutos. Muchas semillas y frutos están provistos de mechones de pelitos (como los vilanos del diente de león, del tragopogon y del algodón), los cuales actúan de forma semejante a los paracaídas, o de unos planos sustentadores, en forma de retoños, salientes, etc. Estos planeadores vegetales pueden observarse en las coníferas, arces, olmos, abedules, carpe, tilos, en muchas umbelíferas, etc.”

«En los días de Sol, cuando no hace viento, las corrientes verticales de aire elevan a considerable altura multitud de semillas, pero una vez que el sol se pone, éstas vuelven a caer generalmente en lugares próximos. La importancia de estos vuelos reside, en que sirven, no tanto para propagar las plantas a zonas más amplias”

Escribió en su obra “Física Recreativa” el profesor Yakov Perelman, quien muriera tempranamente durante el sitio de Leningrado en la Segunda Guerra Mundial.

Este tema, curiosamente, ha sido objeto de investigaciones desde entonces. En el año 2005, el físico argentino Fernando Minotti desveló el misterio del vuelo del abejorro, y este año, en junio, en la revista Science se publicó un artículo y una reseña relacionados con el tema planteado por Perelman en su famoso libro.

El artículo fue escrito por David Lentnik, mientras que la reseña fue escrita por Jackie Grom. En el artículo “Leading-Edge Vortices Elevate Lift of Autorotating Plant Seeds” se corrobora lo escrito por Perelman. Las semillas tienen una forma aerodinámica para poder diseminarse más allá de los límites del árbol originario.

En el trabajo se demuestra que es el vórtice generado en los bordes el responsable de producir una fuerza de sustentación muy alta, la cual permite que la semilla permanezca en el aire el tiempo suficiente como para desplazarse hasta 2 km. Los resultados fueron obtenidos en un túnel de viento usando un brazo robótico con un perfil similar al de las semillas y teniendo en cuenta un número de Reynolds de 1000 (turbulencia). Otro factor importante es el ángulo de ataque, que tiene un valor aproximado de 30º. 

Estos datos se comprobaron con el vuelo de semillas en túneles de viento vertical.

 Lentnik plantea una fórmula empírica para determinar el tiempo de descenso, el cual es directametne proporcional a la raíz cuadrada del  factor descendente e inversamente proporcional a la carga del ala como se aprecia en la figura.

Artículos relacionados

• Leading-Edge Vortices Elevate Lift of Autorotating Plant Seeds
• How Is a Maple Seed Like a Moth?
• El sitio de Leningrado: El recuerdo de la Estrella Roja

Vemos la Luna porque la ilumina el Sol. Donde no hay Luna, no vemos nada, aunque estamos seguros de que la veremos cuando vuelva a ocupar la misma posición, y que veríamos el Sol si estuviéramos en la Luna (dondequiera que se encuentre, a menos que no esté tapada por la Tierra). Por consiguiente, en cada uno de estos puntos siempre hay luz solar, aunque es imposible verla como un objeto cualquiera. Existe, pues, en forera de proceso.

Lo que acabamos de explicar respecto al Sol, también se refiere a las estrellas; por eso, cuando contemplamos el cielo nocturno no vemos sino un fondo oscuro, excepto las direcciones en que vemos estrellas, aunque estamos seguros de que todo el espacio (fuera de la sombra de la Tierra) es atravesado constantemente por haces luminosos…»

Jhon Herschel

Fuente: Física Recreativa

 En realidad, de todo el espectro electromagnético, la ventana visible, en los términos que señala Jhon Herschel (hijo del famoso astrónomo William Herschel), corresponde sólo a una pequeña parte de la misma. Observa en la película de qué fracción del espectro hablamos.

En el año 1800, William Herschel, descubridor del planeta Urano, descubrió la luz infrarroja. ¿Cómo lo hizo? Pues es una historia muy interesante. Aquí una versión del experimento editado por el grupo del telescopio Spitzer del Caltech (Instituto Tecnológico de California).

ANTECEDENTES:

Herschel descubrió la existencia de la luz infrarroja haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio, en un experimento similar al que describimos aquí. La luz solar, al pasar a través del prisma, es dispersada en un arco iris de colores denominado espectro. El espectro contiene todas las radiaciones visibles (colores) que componen la luz del Sol.

Herschel estaba interesado en medir la cantidad de calor en cada uno de los colores, y para ello utilizó termómetros con bulbos ennegrecidos para medir sus distintas temperaturas. Herschel notó que la temperatura aumentaba al pasar de la parte azul a la parte roja del espectro visible. Colocó entonces un termómetro un poco más allá de la parte roja del espectro, en una región donde no había luz visible, y descubrió que la temperatura era todavía más alta.

Herschel concluyó que existía otro tipo de luz más allá del rojo, que no podemos ver. Este tipo de luz luego se llamó infrarrojo. El prefijo infra proviene de la palabra latina que significa abajo. Aunque el procedimiento que describiremos es un poco diferente al experimento original de Herschel, los resultados obtenidos son similares.

MATERIALES:

Un prisma de vidrio (los prismas de plástico no dan buen resultado con este experimento), tres termómetros de alcohol, pintura negra o un rotulador o marcador permanente de tinta negra, tijeras, un soporte para el prisma, una caja de cartón y una hoja blanca.

PREPARACIÓN: Para realizar el experimento eficazmente, es necesario ennegrecer los bulbos de los termómetros . Una forma de hacerlo es pintarlos con la pintura negra, cubriéndolos con una cantidad casi igual de pintura. Los bulbos de los termómetros se ennegrecen para que absorban mejor el calor. Después de que la pintura se haya secado, coloque los termómetros juntos de tal forma que las escalas de temperatura queden alineadas como se muestra en la Figura 1.

PROCEDIMIENTO:

El experimento se debe conducir al aire libre, en un día soleado. Las condiciones de nubosidad variable, tales como la presencia de cúmulos dispersos o neblina pesada, reducen el efecto. La disposición del experimento se muestra en la Figura 1. Se comienza colocando la hoja blanca, en forma plana, en el fondo de la caja de cartón.

En el siguiente paso, el prisma se coloca cuidadosamente en el borde superior de la caja, de modo que quede del lado del sol. La manera más fácil de montarlo es cortar parte del borde superior de la caja. La muesca del recorte debe sostener el prisma de forma ajustada y permitir su rotación sobre su eje longitudinal. Es decir, que los cortes verticales laterales se deben realizar a una distancia ligeramente menor que la longitud del prisma, en tanto que el corte inferior debe ser un poco más profundo que el ancho del prisma. Luego, el prisma se coloca dentro del recorte y se hace girar hasta que aparezca un espectro lo más amplio posible en la zona de sombra, sobre la hoja blanca situada en el fondo de la caja.

Figura 1

Para obtener una amplia gama de colores, posiblemente sea necesario levantar ligeramente el extremo de la caja del lado del sol. Después de asegurar el prisma en posición, coloque los termómetros a la sombra y registre la temperatura ambiente. Coloque ahora los termómetros en la luz del espectro, de manera que cada bulbo esté en uno de los colores: uno en la región azul, otro en la región amarilla, y el tercero un poco más allá de la región roja visible (vea la Figura 2).

Figura 2

Las temperaturas demoran unos cinco minutos en alcanzar sus valores finales. Registre las temperaturas en cada una de las tres regiones del espectro: azul, amarillo y un poco más allá del rojo. Mientras lee las temperaturas, no retire los termómetros del espectro y no bloquee su luz.

Figura 3

• Fuente: Caltech

A propósito, el descubrimiento de Herschel ha tenido innumerables aplicaciones que van desde el arte, pasando por la medicina, hasta la astronomía. De hecho, el telescopio Spitzer ha sido construido para poder escudriñar las radiaciones infrarrojas provenientes del Universo. Un ejemplo de ello es la visión del Spitzer de la nebulosa de emisión IC1936 del video. Observe como cambia nuestra visión del universo cuando pasamos de la radiación visible a la infrarroja.

En el inodoro, luego de dos años de buscarse, se dieron la mano Pascal y Arquímedes. Se entiende que estoy hablando en sentido figurado. Lo que sucede es que la mayoría de los inodoros domésticos  modernos son el resultado de una conjunción armónica de los principios de Pascal y Arquímedes. Antes de relatarles como, hagamos un rápido recorrido de la historia antigua del inodoro (de su prehistoria).

Los inodoros son usados desde hace miles de años. En las ciudades de Harappa y Mohenjo Daro en la India, hace 2500 años aC, prácticamente cada casa tenía un baño. La civilización minóica utilizaba inodoros entre los siglos XVIII y XV aC, y la civilización romana también los usaba hasta el siglo V dC.

En 1778, Joseph Bramah inventó la bomba para el cierre automático del surtidor de agua (que está unido al tubo de abasto). Este sistema aplica el principio de Arquímedes para su funcionamiento. ¿De qué manera? La bomba es, en promedio, menos densa que el agua. Por esta razón, al llenarse el tanque con agua, la bomba, mientras se eleva, va ejerciendo una fuerza sobre la palanca igual a la fuerza de empuje menos su peso. Como la bomba tiene un brazo de palanca mucho más grande que el del sistema de cierre que está en el otro extremo, esta produce un esfuerzo de giro muy grande y suficiente como para cerrar la válvula de llenado una vez alcanzado el nivel de agua previsto.

Finalmente, fue Thomas McAvity quien en 1905  patentó el flujo de vórtice autolimpiador de la taza del inodoro con lo que los clásicos inodoros adquirieron su forma final.

Aunque el rey de los inodoros, por la “furia” con que succiona los desechos, es el que pertence al Airbus A308, el avión de pasajeros más grande del mundo. En los indoros del avión, los desechos succionados de las tazas pueden viajar a 200 km/h por los 900 metros de tuberías hasta llegar a su destino: una cámara séptica que los licua y almacena hasta el arribo del avión.