Quatre gotes d’alcohol

Rodets fotografia analògica i pots de plàstic per desar-los

Nota important abans de començar: Aquesta experiència s’ha de realitzar amb ulleres de protecció i només la haurien de realitzar adults o bé joves tutelats per una persona adulta.

Podem realitzar una explosió casolana amb alcohol, en el nostre cas utilitzarem un pot de plàstic dels de rodets de fotografia analògica (els més joves no els recordareu o ni tan sols els coneixereu), un generador piezoelèctric (d’un encenedor) i una mica d’alcohol (utilitzeu l’alcohol de farmàcia, etanol en un 96%).

Hem d’aconseguir que la xispa es produeixi dins del pot de plàstic de manera que aquesta serà la que iniciarà la reacció química de combustió de l’alcohol que tindrà lloc ràpidament, és a dir, es generarà una explosió.

Per fer-ho hem de fer una mescla d’alcohol i oxigen amb les proporcions adequades, només cal posar tres o quatre gotes d’alcohol dins del pot, tancar-lo i sacsejar-lo de manera que aquest s’evapori i es barregi amb l’oxigen que conté l’aire. Podem obrir el pot i eliminar, si cal, l’excés d’alcohol líquid que no s’ha evaporat.

Tapem de nou el pot, ens apartem de la trajectòria del tap i premem el botó per fer saltar la xispa… buuuummm, el tap haurà sortit disparat amb força després d’una forta explosió.

Cal tenir en compte que sovint els joves proposen posar més alcohol per produir una explosió més forta… però això produeix l’efecte contrari perquè aleshores la reacció química té lloc amb un defecte d’oxigen i no es realitza una explosió sinó una combustió incomplerta de l’alcohol (flama amb fum negre).

Bé, podeu provar-ho… però recordeu d’anar amb molta cura!

Alguns càlculs

Un pot dels rodets de foto té un volum d’uns 11 cm3. Com que el percentatge d’oxigen a l’aire és d’un 20% en volum, en el pot hi han uns 2,2 cm3 d’oxigen. L’equació de la reacció de combustió entre l’etanol (gas) i l’oxigen és:

C2H6O (g) + 3 O2 (g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l)

Per tant necessitarem només 2,2 cm3 / 3 = 0,73 cm3 d’etanol gas.

Però el que tenim és un líquid. Tenint en compte que la densitat del líquid és de 0,79 g/cm3 i la de l’etanol gas és de 0,0019 g/cm3 (a 25 ºC), només caldrien 0,0018 cm3 de l’alcohol líquid (i això suposant que és pur i no del 96%)!

Això justifica que posem molt poques gotes d’alcohol, realment amb una gota petita seria suficient.

Nota: Aquesta darrera aportació l’ha realitzat en Josep Corominas, conegut divulgador científic de Química i també de Física, moltes gràcies Josep!

 

Anuncis

Goma elàstica sorprenent

Des de ben petits hem après, primer fruit de l’experiència i posteriorment a l’escola o a l’institut, que en escalfar un objecte aquest es dilata (linealment, en superfície o en volum segon la seva forma). Tenim molts exemples i experiències quotidianes que ens corroboren aquest fet.

Però hi ha algunes excepcions i potser la més coneguda és la dilatació anòmala de l’aigua que entre 0 i 4 graus centígrads té un comportament diferent. L’aigua es contrau si l’escalfem en aquest interval de temperatures i en canvi es dilata (com és més habitual) si l’escalfem més enllà del quatre graus. Aquest fenomen costa d’observar i/o experimentar però és important per evitar que els llacs es congelin completament i així es pot preservar la vida aquàtica en medis molt freds.

Hi ha una altra excepció que és sorprenent: les gomes elàstiques i també els globus de goma. Podem provar-ho penjant un pes significatiu d’una goma i marcar amb cura la seva llargària. Si escalfem la goma amb un assecador de cabell observarem una disminució significativa de la llargada i en refredar-se de nou recupera la mida original. En el vídeo hem gravat un pla de detall per observar-ho correctament.

L’explicació és més o menys senzilla: la goma està formada per molècules molt llargues (polímers) que en situació normal estan molt enredades (valor d’entropia molt alt) i quan l’estirem aquestes cadenes es desenrotllen alineant-se millor (l’entropia disminueix). Si a un sistema li transferim calor la seva entropia (nivell de desordre) augmenta de manera que quan escalfem la goma provoquem un augment de l’entropia i per tant la goma elàstica s’escurça (tal com podem observar) perquè el polímers es tornen a enredar considerablement.

Pots realitzar una experiència relacionada: agafa una goma elàstica, l’estires ràpidament i tot seguit la poses en contacte amb el teu llavi superior (molt sensible als canvis de temperatura), notaràs un augment de la temperatura. Si ara deixes que recuperi la seva longitud inicial notaràs que la goma es refreda. En el primer cas has fet disminuir l’entropia i per tant la seva energia interna de manera que se n’allibera en forma de calor… en el segon cas té lloc l’efecte contrari.

Aigua en caiguda lliure

Tardes d’estiu, tardes de migdiada… però també tardes d’experimentació amb aigua. Aquest experiment cal fer-lo al jardí o a la terrassa perquè de ben segur que acabaràs una mica remullat i fent un gran mullader al terra.

Si agafem una ampolla, un vas o qualsevol recipient que tingui un forat a la part baixa i l’omplim d’aigua podem veure com surt un rajolí que descriu una paràbola perfecta talment com si llencéssim una bola horitzontalment: moviment uniforme horitzontal combinat amb un moviment vertical amb acceleració constant (a = g = -9,8 m/s2).

De fet la velocitat de sortida és deguda a la pressió hidrostàtica (P = d·g·h, on d és la densitat del líquid, g la gravetat i h l’alçada de líquid fins la superfície) i, per tant, podem dir que aquesta pressió és deguda al pes del líquid. Podem comprovar que, efectivament, quan més alt és el nivell de l’aigua més gran és la velocitat amb que surt l’aigua (podeu comprovar-ho amb l’experiència d’aquest blog Pressió parabòlica).

Observem en el vídeo que si l’ampolla està hermèticament tancada aleshores el líquid no surt perquè la diferència de pressions entre el forat i la superfície equilibra exactament la pressió hidrostàtica: hi ha un buit parcial degut a una baixada imperceptible de la superfície.

Què passa però si deixem caure (lliurement) el recipient? Doncs que el líquid deixa de sortir mentre està caient perquè tot plegat, l’aigua i l’ampolla, està en caiguda lliure, és a dir, en estat d’ingravidesa i per tant el seu pes aparent és zero o, aparentment, la gravetat també és nul·la. Sabem però que ni el pes ni la gravetat són nuls en aquestes condicions sinó que justament són les responsables de la caiguda del conjunt (justament amb una acceleració de -9,8 m/s2).

Ingravidez en la EEIAixò és el mateix que els passa als astronautes dins de l’Estació Espacial Internacional (ISS), sembla que estan en un lloc on no actua la gravetat però això és degut a que estan en caiguda constant cap a la Terra… sense arribar-hi mai degut a la seva trajectòria circular (o lleugerament el·líptica).

Apa, anem posar-nos el banyador i remullar-nos una mica…

Cel·lo i cel·lofana de colors

Més experiències amb polaritzadors… recordeu que no cal disposar d’una làmina polaritzant com la del vídeo doncs és cara i difícil d’obtenir, podem fer-ho amb unes ulleres de sol doncs les de més qualitat són polaritzades.

El primer que podem fer és observar que les pantalles d’ordinador, fixes o portàtils, emeten llum polaritzada amb una direcció de 45 graus amb l’horitzontal. Així doncs si observem una pantalla amb unes ulleres de sol polaritzades i inclinem el cap 45º veurem que la pantalla es torna negra perquè la direcció del polaritzador és perpendicular a la llum incident provinent de la pantalla.

Una segona part d’aquesta proposta consisteix en observar cel·lo interposat entre la pantalla i el polaritzador. Observem gruixos de cel·lo d’1, 2, 3… capes enganxades sobre un plàstic transparent i… els veiem de colors diferents segons el gruix. Si a més girem el polaritzador 90 graus observarem que els seus colors canvien justament al color complementari en cada cas. això és degut a que la cinta adhesiva és birrefringent, la llum que la travessa es divideix en dos raigs polaritzats perpendicularment i polaritza els dos rajos i la substància té per a cada raig un índex de refracció diferent.

L’explicació del fenomen és una mica complexa: Quan la llum polaritzada blanca (de la pantalla) passa a través de la cinta adhesiva (birefringent) es divideix en dues components (polaritzades perpendicularment) i cadascuna segons un índex de refracció (velocitat) diferent de manera que els dos raigs es desfasen. Aquest desfasament provoca interferències constructives o destructives segons el gruix de la làmina i la longitud d’ona de cada color de la llum. Si girem 90 graus el polaritzador aleshores el color anul·lat per interferència destructiva (oposició de fase) passa a tenir una interferència constructiva, els colors resultants solen ser els complementaris. Bé, una explicació per a pensar-hi una estona en una nit d’insomni!

Diapasó ressonant

Resultat d'imatges de diapasó musical

Diapasó musical de 440 Hz, la nota LA

Segurament hem vist alguna vegada un músic que es treu un petit diapasó de la butxaca, li dona un cop i se’l col·loca prop de l’orella, això ho fa per agafar el to de la nota La (440 Hz) i que li serveix de referència per afinar l’instrument. Els ossos del seu crani fan aquest cas de caixa de ressonància i sent internament la nota.
En el nostre cas tenim un diapasó de 440 Hz una mica més gran i amb una caixa de ressonància de fusta i podem comprovar que el diapasó ressona només si emetem prop d’ell un so de la seva freqüència pròpia i en canvi si el so difereix d’aquest valor (encara que sigui lleugerament: 420 o 460 Hz) el diapasó ja no ressona.

Amb aquesta experiència comprovem que qualsevol objecte que oscil·la o vibra (un pèndol, un gronxador, una molla, una copa de vidre…) té una freqüència pròpia i que només entrarà en ressonància si la forcem amb un impuls extern periòdic que coincideix amb la seva freqüència pròpia. en el cas del diapasó, que oscil·la a 440 Hz la única manera de fer-lo entrar en ressonància és a través d’una ona sonora d’aquesta freqüència que generem a través de l’app del mòbil (Function Generator) i amplificada per un altaveu.
Aquesta ressonància forçada pot arribar a maximitzar les oscil·lacions, en el cas d’un gronxador podríem arribar a fer-lo donar la volta o potser hem vist el famós vídeo del pont de Tacoma que es va ensorrar degut a que va entrar en ressonància per l’efecte del vent.