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.

Anuncis

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…

La taula parada i en Newton

Segur que mai ens hem atrevit a comprovar la primera llei de Newton (la de la inèrcia) estirant fort i ràpid les tovalles quan la taula està tota parada amb tots els plats de ceràmica, les copes de vidre… i això que molt sovint ho hem sentit explicar al professor de Física o ho hem vist en películes de dibuixos animats.

Si realment tenim confiança en les lleis de la Física no hauríem de dubtar gens en fer-ho… en el vídeo no solament ho fan sinó que ho fan amb talla XXL.

Ja veus que no és tan complicat i que ja et pots animar a fer-ho en acabar el dinar familiar de Nadal… que tinguis molta sort… i, sobretot, confiança en la Física!

Psicopèndols

Un enginy fàcil de construir i que podem utilitzar per passar una estona divertida durant un sopar, una vetllada amb petits i grans, una trobada d’amics… i que els estudiants de física poden relacionar amb la llei del pèndol simple.

Es tracta de fer veure que mentalment som capaços de controlar el moviment de cada pèndol, demanem al públic que es concentrin en una bola i al cap de poca estona aquesta comença a oscil·lar mentre les altres dues es mantenen immòbils. Repetim l’experiència concentrant-nos plegats en un altre pèndol fins que aconseguim que oscil·li. En el vídeo veiem que fem oscil·lar les boles a voluntat començant per la petita, continuant per la mitjana, després la gran, la mitjana de nou i acabant amb la petita.

El secret és senzill i està relacionat amb que un pèndol té un període propi d’oscil·lació que depèn de la llargada del pèndol (i no de la seva massa) de manera que cada bola té un període d’oscil·lació diferent de les altres dues. Si fem oscil·lar lleugerament la barra superior coincidint amb el període propi d’una de les boles, aquesta començarà a oscil·lar mentre les altres resten pràcticament immòbils.

És el mateix que passa quan gronxem un nen en un parc infantil, si l’impulsem periòdicament amb coincidència amb l’oscil·lació pròpia del gronxador el nen oscil·larà cada vegada més (podríem arribar a fer-li donar la volta) en canvi si donem impulsos de forma no coordinada el gronxador restarà immòbil o pràcticament no es bellugarà. Aquesta sincronització la realitzem de forma quasi automàtica només observant el moviment del gronxador i, en el nostre cas, ho fem observant el moviment del pèndol que volem bellugar.

Pels estudiants de Física els podem recordar que el període d’un pèndol (suposant petites oscil·lacions) el podem calcular com T = 2*pi*arrel (l/g) de manera que només depèn de la longitud l del pèndol i no de la seva massa. Podem comprovar que, efectivament, en els nostres pèndols aquesta llei es compleix amb molta exactitud.

psicopendolsEn un parc infantil podem observar que l’oscil·lació dels gronxadors no depèn de l’edat dels nen que hi puja sinó només de la llargada de la corda que l’aguanta. Què us sembla si anem ara mateix al parc infantil?

Nota: Aquesta experiència la va presentar l’Ana Cros de la Universitat de València a la trobada de Divulgadores que es va realitzar a Lleida l’octubre del 2014, gràcies Ana!

Dues pilotes

Només cal tenir dues pilotes diferents per a realitzar aquesta experiència, una de bàsquet i una de tenis per exemple. Quan més diferent sigui la seva massa més sorprenent serà l’efecte. En el nostre cas hem utilitzat una pilota de bàsquet de 750 grams i una de bàsquet petita de 300 g.

Tal com es veu en el vídeo deixem caure lliurement les dues pilotes (alhora i la petita damunt la gran) des d’una alçada determinada i en rebotar observem que la pilota petita fa un rebot espectacular i, contra el que esperem, s’enfila fins a una alçada molt superior a la inicial. Pot semblar, d’entrada, que l’experiència viola el principi de conservació de l’energia però si l’analitzem amb detall observem que la pilota gran pràcticament no rebota de manera que transfereix quasi tota la seva energia a l’altra pilota i per tant aquesta veu incrementada la seva energia inicial.

Cal tenir present d’escollir dues pilotes que tinguin un rebot quasi perfecte (en física en diem elàstic) per tal que no es perdi energia en el rebot i en el xoc posterior entre les pilotes.

Es pot provar amb diferents pilotes (de mida, de massa, d’elasticitat…) i comprovar en quines condicions la pilota petita arriba més amunt.

L’alumnat de física de batxillerat o de primers cursos universitaris poden fer un càlcul sobre l’alçada màxima final. Cal tenir present que les dues pilotes cauen lliurement de manera que podem calcular la seva velocitat just abans de tocar el terra, que la pilota gran rebota elàsticament amb el terra (les velocitats abans i després del rebot seran iguals) i que posteriorment xoca (també elàsticament) amb la pilota petita (en el xoc es conserva l’energia i també la quantitat de moviment). Amb aquest planteig es pot calcular, resolent un sistema d’equacions, les velocitats de les dues pilotes després de xocar i per tant l’alçada final (per conservació de l’energia) de la petita. Fins i tot utilitzant un full de càlcul podem obtenir directament i instantània l’alçada a que arribarà a partir de l’alçada inicial i les dues masses de les pilotes. En el nostre cas l’alçada inicial era d’1,20 m i en teoria la pilota petita havia d’arribar fins a 4,14 m. quan en realitat ha arribat a només uns 2,5 metres… podem pensar quins són els factors que influeixen en aquesta diferència.

Bé, que us ho passeu d’allò més bé!