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

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!