FUNDAMENTOS FÍSICOS DE ALGUNOS JUGUETES CIENTÍFICOS

Lámpara de lava

Una lámpara de lava consta típicamente de un recipiente alargado de vidrio herméticamente cerrado que contiene dos líquidos no miscibles.

El líquido coloreado de rojo es un aceite mineral, aceite de parafina. El líquido transparente es un alcohol, alcohol isopropílico, diluido con una pequeña cantidad de agua.

En la parte inferior del recipiente se encuentra una espiral metálica arrollada en forma de circunferencia.

La base de apoyo del recipiente oculta una lámpara eléctrica de baja potencia.

Descripción del comportamiento Las densidades de los dos líquidos son muy semejantes. La densidad del aceite es algo mayor que la del alcohol a temperatura ambiente, por lo que se encuentra en el fondo del recipiente.

Cuando la lámpara se enciende, el aceite coloreado de rojo se calienta ayudado por la espiral metálica con la que está en contacto, aumentando más su temperatura que la del líquido transparente.

Al aumentar su temperatura el líquido rojo se dilata, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad. Cuando la densidad del aceite rojo se hace menor que la del alcohol situado encima las bolas que se forman tienden a flotar, alcanzando la superficie del líquido. En la parte superior la temperatura del líquido rojo disminuye y su densidad arriba a ser mayor que la del alcohol, con lo que ahora tiende a hundirse.

La forma esférica que adquiere el líquido rojo al ascender es debida a la tensión superficial, que tiende a minimizar la superficie de un objeto para un volumen dado.

Fundamento físico

Debido a su movimiento, este dispositivo es una máquina térmica.

Los cuerpos coloreados absorben mejor la radiación térmica que produce una bombilla que los cuerpos transparentes, aumentando más su temperatura.

Al disminuir su densidad (aumentar su volumen) las esferas de aceite ascienden. Al alcanzar la zona alta su temperatura disminuye y su densidad aumenta, volviendo al fondo.

La lámpara mantiene su movimiento mientras la diferencia de temperatura entre la parte inferior y superior del recipiente de vidrio se mantenga.

Cuando dos esferas chocan se observa el cumplimiento del principio de conservación del momento lineal.

Lámpara de descargas

Descripción del dispositivo Una lámpara de descargas consta de un bulbo de vidrio que contiene un gas noble, helio, argón, etc., enrarecido (a baja presión).

En aquellos bulbos de vidrio transparente se observan unos rayos que parecen surgir de una esfera interior metálica, denominada electrodo, y que terminan en forma de chispas sobre las paredes de la esfera externa de vidrio de la lámpara.

Cuando las paredes interiores del recipiente de vidrio están recubiertas de ciertos compuestos químicos las “chispas” dan lugar a emisión de luz de diferentes colores.

Descripción del comportamiento Cuando el dispositivo se conecta se observan unos rayos de color púrpura (el color depende del gas del interior y de la diferencia de potencial ) que surgen del electrodo. Cuando los rayos alcanzan la superficie de vidrio del bulbo se produce una luz anaranjada.

Cuando se toca con el dedo la superficie de la esfera exterior se observa que los rayos convergen sobre el dedo, dando lugar a una coloración más intensa y pudiéndose apreciar un ligero aumento de la temperatura al cabo de cierto tiempo.

En las lámparas recubiertas interiormente de una substancia blanca, que hacen casi opaco el vidrio, se observa la emisión de luz de diferentes tonalidades, rojas, verdes o azules.

Cuando se acerca a la lámpara de descargas un tubo fluorescente, éste comienza a emitir luz. Cuando el tubo se toca con las manos la electricidad fluye desde la esfera y nos atraviesa hasta llegar al suelo.

Si se coloca un clavo metálico sobre la superficie de vidrio y se acerca el dedo sin llegar a tocar la punta del clavo se observa que se produce una descarga eléctrica que puede verse, oírse e incluso olerse. La piel del dedo se quema en una pequeña región.

Fundamento físico Este dispositivo convierte energía eléctrica en lumínica

Cuando se depositan electrones sobre la esfera interior se establece una diferencia de potencial eléctrico entre la esfera interior y la esfera exterior que hace que los electrones se muevan a gran velocidad desde el electrodo central hasta las paredes.

Cuando los electrones chocan contra los átomos del gas a baja presión, se producen transiciones electrónicas entre estados cuánticos en los átomos del gas.

Los electrones excitados del gas vuelven a su estado fundamental y emiten luz ( fotones ) de un color característico, típico de cada gas --azul púrpura en nuestro caso--, fenómeno conocido como emisión .

Cuando los rayos de luz inciden contra el vidrio excitan átomos que entran en la composición del mismo y se emite luz de color ( longitud de onda ) característico.

En el caso de los tubos fluorescentes el gas en su interior es mercurio y están recubiertos de compuestos fluorescentes que convierten la luz ultravioleta en luz verde, el europio (Eu), roja, el manganeso (Mn) o azul, el erbio .

Cuando los fotones procedentes de la lámpara de descargas incide sobre esos compuestos se producen todos esos colores, cuya suma el ojo interpreta como luz blanca (tubo fluorescente tradicional).

Esto mismo ocurre con cada punto de la pantalla de un televisor

Entre la punta de un clavo y el dedo se establece una gran diferencia de potencial dando lugar a descargas eléctricas de mucha densidad de corriente (amperios). La descarga puede verse, ionización de los gases del aire, oírse y olerse (producción de ozono). Las temperaturas que se alcanzan son tan altas que la corriente quema la piel.

Pájaro Bebedor

Un pájaro bebedor consta de dos pequeñas esferas de vidrio y un tubo hueco que las conecta. Dentro de la esfera inferior hay un líquido coloreado. El tubo hueco se introduce dentro del líquido.

La esfera superior de vidrio a modo de cabeza, está recubierta de un fieltro poroso al igual que el pico.

Unido al tubo a media altura hay un pequeño eje metálico que, a su vez, se apoya sobre unos soportes de tal forma que todo el conjunto del pájaro puede oscilar.

En unos modelos el soporte se apoya directamente sobre el borde de una copa. En otros hay que poner la copa aparte.

Descripción del comportamiento Cuando la cabeza del pájaro se moja con agua, el líquido interno coloreado de la esfera inferior comienza a ascender por el tubo hueco.

Cuando gran parte del líquido coloreado ha llegado a la cabeza el pájaro comienza a inclinarse y finalmente cae hacia adelante. Después de adoptar una posición casi horizontal, el tubo de la esfera inferior sale por encima del líquido y parte del líquido coloreado de la cabeza vuelve a la esfera inferior. El pájaro retrocede hacia atrás y en este proceso se producen una serie de oscilaciones hasta que se repite el proceso.

En verano el intervalo de tiempo entre dos “sorbos” es muy pequeño, unos segundos, mientras que en invierno este intervalo puede llegar a ser mucho mayor.

Si el pájaro se cubre con una campana de vidrio, al cabo de unos pocos minutos empieza a beber a intervalos de tiempo cada vez más largos y en diez o quince minutos deja por completo de oscilar. Si se retira la campana de vidrio, vuelve a beber y a oscilar al cabo de muy poco tiempo.

Fundamento físico Cuando la humedad del aire está por debajo de la humedad de saturación, es decir, hay una humedad relativa menor del 100 %, el potencial químico del vapor de agua en el aire es menor que el potencial químico del agua líquida en la cabeza del pájaro y el agua líquida tiende a evaporarse en un proceso espontáneo por lo que, de acuerdo con el Segundo Principio de la Termodinámica, aumenta la entropía del universo.

En el proceso de evaporación del agua líquida se toma energía de la propia agua y la temperatura de la cabeza disminuye en medio grado Celsius.

Entonces la presión de vapor del líquido coloreado es mayor en la base del pájaro que en la cabeza, y esta diferencia de presión obliga al líquido a subir por el tubo gracias a que el extremo de esté se encuentra por debajo de la superficie del líquido.

Como en verano la humedad relativa suele ser menor que en invierno el agua se evapora más deprisa, la cabeza se enfría más rápido y el líquido asciende en menos tiempo que en invierno.

A medida que el líquido asciende la distribución de masas va creando un par de fuerzas que, finalmente, da lugar a un movimiento de rotación del pájaro, que “bebe”. Cuando el líquido vuelve a descender aparece otro momento de fuerzas que hace que el pájaro gire en sentido contrario.

Al cubrir el pájaro con una campana, el aire en su interior se satura de vapor de agua, la humedad en el interior alcanza el 100 % y el agua líquida de la cabeza del pájaro deja de evaporarse, la cabeza deja de enfriarse y el líquido inferior ya no asciende.

Cuando se retira la campana, la humedad vuelve a ser menor del 100 %, el agua de la cabeza puede volver a evaporarse y el proceso se repite.

El mismo efecto de oscilación se puede conseguir calentando la parte inferior en lugar de enfriando la cabeza. Por ejemplo, iluminando el líquido coloreado con el Sol o con una lámpara. El líquido así iluminado absorbe radiación, se calienta, su presión de vapor aumenta y hace que el líquido ascienda por el tubo.

Buzo de Descartes Descripción del dispositivo

El buzo o diablillo de Descartes es un pequeño tubo abierto por su parte inferior, con una burbuja de aire en su interior --un cuentagotas de un colirio--, que flota en el líquido de una botella de plástico cerrada o en una de vidrio provista de tapón ajustable.

Cuando la botella de plástico se aprieta, o el tapón se comprime ligeramente en una botella de vidrio, el pequeño tubo flotante empieza a hundirse y puede terminar por llegar al fondo. Una vez hundido, si el tapón deja de comprimirse, el tubo vuelve a subir a la superficie.

Descripción del comportamiento

En una botella de paredes flexibles y con el tapón bien enroscado, se deja un poco de aire en la parte superior. Cuando las paredes de la botella se comprimen suavemente el buzo empieza a descender, aunque manteniéndose flotante. Si las paredes se siguen comprimiendo llega un momento en que el buzo toca justo en la superficie del agua con su parte superior y a partir de ahí comienza a hundirse, llegando hasta el fondo si la botella se mantiene presionada. Si la botella tiene paredes de vidrio, el mismo comportamiento se puede conseguir apretando ligeramente el tapón.

Cuando la botella deja de apretarse, el buzo vuelve a la superficie. Aunque no siempre. Cuando la profundidad del agua es grande, puede suceder que un buzo que desciende al apretar, no vuelva a subir cuando la botella deja de apretarse.

En el dispositivo que se ha diseñado, diversos tubos de ensayo, con algo de aire atrapado en su interior, flotan en el interior de un tubo. Al aumentar la presión sobre el aire encima de ellos, comprimiendo el aire con una jeringa, los tubos descienden, primero los que menos aire tienen. Los tubos en el fondo se pueden hacer subir disminuyendo la presión utilizando de nuevo la jeringa.

Fundamento físico Sobre el buzo sumergido actúan dos fuerzas, el peso (descendente) y el empuje de Arquímedes (ascendente).

Cuando la burbuja de aire atrapada en el tubo tiene un volumen lo suficientemente grande como para que, por el principio de Arquímedes el peso del agua desalojada sea mayor que el peso del vidrio del tubo, el tubo flota. Si la presión del aire encima de la superficie del agua empieza a aumentar --bien por comprimir la botella, bien por apretar el tapón o bien por apretar una jeringa--, de acuerdo con el principio de Pascal el aire del tubo nota este aumento de la presión. El agua comprime el aire de su interior. Al aumentar la presión sobre la burbuja de aire atrapada, su volumen disminuye, de acuerdo con la ley de Boyle-Mariotte ,

PV= Cte a T= Cte

A presión inicial Pa algunos tubos flotan y otros no. La presión Pb es menor que la presión Pa. El volumen del aire en todos los tubos ha aumentado y todos flotan. La presión Pc es mayor que la presión Pa. El volumen del aire en todos los tubos ha disminuido y todos ellos se han hundido.

Entonces el tubo desciende. Si el aumento de la presión es tal que el volumen de aire disminuye hasta tal punto que el peso del agua que desaloja es menor que el peso del vidrio aparece una fuerza neta hacia abajo que, de acuerdo con la segunda ley de Newton, hace que el tubo se hunda hasta el fondo.

Cuando un tubo que flota se lleva a una gran profundidad, la propia presión ejercida por el agua localizada por encima hace que la burbuja disminuya su volumen. Si la profundidad es tan grande que el volumen de la burbuja es tal que el peso del agua desalojada es menor que el del vidrio, el tubo ya no puede volver a la superficie.

Radiómetro de Crookes

Descripción del dispositivo Un radiómetro consta de un bulbo de vidrio hermético semejante a una bombilla en la que se ha hecho el vacío, con un pie soporte. En el interior de la esfera hay un pivote vertical de alfiler y sobre él cuatro pequeños rectángulos verticales unidos entre sí en forma de aspa.

Cada rectángulo está pintado de negro por uno de sus lados y bien pintado de blanco, o el metal sin pintar, por el otro lado. Los cuadrados van pintados de esta forma alternativamente. En el centro del aspa y encima el eje del pivote hay un tubo de vidrio que disminuye el rozamiento.

Descripción del comportamiento

Cuando un radiómetro es iluminado con una bombilla incandescente o por el Sol comienza a girar de tal manera que las superficies pintadas de negro giran alejándose de la fuente de luz y, por tanto, las pintadas de blanco o de metal pulido giran acercándose a la luz.

A medida que la fuente de luz se aleja, el aspa del radiómetro gira más lentamente.

Si en vez de una lámpara de luz visible se utiliza una lámpara de luz infrarroja, también se observa la rotación, pero sólo en aquellos radiómetros cuyas caras sean una de metal pulido y la otra pintada de negro.

Con luz infrarroja el radiómetro con caras pintadas de blanco y de negro alternativamente no gira.

Cuando en un radiómetro penetra aire (se pierde el vacío), porque se haya roto el vidrio de sellado, la rotación del aspa ya no se produce al ser iluminada. Si el aire se extrae con una bomba de vacío, vuelve a girar.

Si el radiómetro iluminado y que ha estado girando se introduce en el frigorífico, gira en sentido contrario durante un pequeño intervalo de tiempo.

Fundamento físico

Las superficies pintadas de negro absorben más energía que proviene de la luz visible que las superficies pintadas de blanco o pulidas (espejos). En consecuencia, las superficies pintadas de negro aumentan su temperatura por encima de las pintadas de blanco.

Las moléculas del aire que queda dentro del radiómetro y que están en contacto con las superficies pintadas de negro están a mayor temperatura que las moléculas de aire que están en contacto con las superficies pintadas de blanco o pulidas. De acuerdo con la teoría cinética de los gases, las moléculas a mayor temperatura se mueven a mayor velocidad que las que están a menor temperatura.

Por tanto, las moléculas de oxígeno y nitrógeno chocan contra las superficies pintadas de negro a mayor velocidad, con mayor energía cinética y con mayor momento lineal, que las moléculas que chocan contra las superficies blancas. Dada la disposición de las superficies, estos choques dan lugar a la aparición de un momento angular que hace que el aspa comience a girar.

Si el aire dentro del radiómetro no está muy enrarecido, el rozamiento de las superficies contra el aire es suficiente como para que el aspa no consiga moverse. A medida que se hace el vacío dentro del radiómetro este rozamiento disminuye y el aspa puede girar.

Si se coloca un pájaro bebedor, sin la cabeza mojada y sin agua en la copa, enfrente de la lámpara, la columna de líquido comenzará a ascender y al cabo de poco tiempo el pájaro comenzará a oscilar, esta vez sin beber agua.

La razón es que el líquido coloreado absorbe más energía de la luz de la lámpara que el vidrio, con lo que el líquido se calienta, su presión de vapor aumenta y asciende por el tubo.

Bola Flotante

Modelo antiguo de bola flotante. Al soplar, la bola se mantiene en equilibrio.

Descripción del dispositivo Una bola flotante es una esfera de pequeño peso que flota en el chorro de aire que surge, por ejemplo, de un secador.

Se conecta el secador a su máxima potencia y se coloca con cuidado la bola justo encima del chorro de aire. Puede observarse entonces cómo la bola flota en dicha corriente mientras lleva a cabo movimientos erráticos alrededor del equilibrio.

Dependiendo del flujo de aire y de su velocidad de salida, este fenómeno se puede observar con bolas flotantes de mayor o menor peso que flotan a mayor o menor altura.

Al inclinar el eje del ventilador, la bola sigue al chorro.

Con el secador sin conectar, la bola está en reposo. Con el secador conectado, flota en equilibrio estable

Descripción del comportamiento Cuando la bola se coloca en el chorro de aire que sale del ventilador --o secador--, alcanza una cierta altura y ahí se mantiene, oscilando ligeramente.

Para bolas del mismo tamaño y diferente peso, la más pesada se estabiliza a menor altura que la ligera.

Para bolas del mismo peso, la de mayor radio se estabiliza a mayor altura que la más pequeña.

El equilibrio de las bolas es inestable dentro del flujo, pues aunque se las desplace de su posición de equilibrio, vuelven a él.

Es algo semejante a lo que le sucede a un huevo cocido colocado encima de un vaso invertido y sobre el que cae un chorro de agua. El huevo se mantiene debajo del chorro.

Una vez la bola está encima del chorro de aire, si la dirección del chorro se va inclinando, por ejemplo moviendo la salida del secador, la bola se inclina también. Si la inclinación del chorro de aire es demasiado grande, la bola no se sostiene más y termina por caer.

Supóngase ahora que el cañón de aire está inclinado y la bola flota por encima de la superficie de la mesa.

Si el chorro de aire se interrumpe, apagando el secador, la bola no cae siguiendo la perpendicular sino que se acerca a la boca del cañón de aire. Si el chorro de aire se interrumpe bruscamente, la bola cae perpendicular.

Si la boca de salida del aire se estrecha, las mismas bolas se estabilizan a alturas mayores.

Fundamento físico Si la bola estuviese en horizontal el chorro de aire la haría desplazarse, lo que indica la aparición de una fuerza.

Esta fuerza se debe a que las partículas de aire a mayor velocidad, que salen del secador, chocan contra la superficie de la bola, imponiendo una variación del momento lineal sobre la bola, y mayor fuerza sobre ella, que las partículas que chocan contra la bola por el lado opuesto al chorro. Cuando la bola está en vertical, la fuerza neta que aparece por efecto del chorro de aire se compensa con el peso de la bola.

El chorro de aire surge a una determinada velocidad y a través de una cierta sección.

A medida que el chorro asciende la sección aumenta y la velocidad del aire disminuye. La bola se coloca en una posición tal que la fuerza producida por el aire a una cierta velocidad compensa su propio peso. Si desde su posición de equilibrio la bola se desplaza hacia abajo, entonces chocan moléculas de aire a mayor velocidad, y aparece una fuerza neta hacia arriba mayor que el peso.

Si la bola asciende, chocan partículas a menor velocidad, la fuerza disminuye y el peso la hace descender.

En cuanto al desplazamiento horizontal, de acuerdo con el teorema de Bernoulli la presión es mayor en las zonas de menor velocidad ( efecto Venturi). Este mismo efecto hace que cuando se inclina el chorro de aire la bola permanezca suspendida.

Así, en el chorro de aire la presión es menor que en la atmósfera que le rodea. Cuando la bola intenta salir del chorro de aire se desplaza hacia zonas de mayor presión y aparece una fuerza neta que tiende a devolverla al chorro.

Las chimeneas funcionan con un efecto semejante.

Termómetro de Galileo

Descripción del dispositivo El termómetro de Galileo consiste en un tubo de vidrio vertical, cerrado por ambos extremos, que contiene agua en la que se encuentran varias esferas flotantes de vidrio cerradas que contienen cada una de ellas una cierta cantidad de líquido coloreado (agua).

El tubo es lo suficientemente estrecho como para que las esferas deban colocarse una debajo de la otra. Cada esfera lleva en su parte inferior una etiqueta mostrando diferentes valores de temperatura.

El intervalo de temperaturas del termómetro varía desde los 17 ºC hasta los 27 ºC con intervalos de 2 ºC.

Descripción del comportamiento Cuando la temperatura del agua del termómetro es menor de los 17 ºC, las esferas flotan todas ellas en línea, con la esfera de los 27 ºC arriba y la de 17 ºC abajo y las demás colocadas correlativamente en medio.

Si la temperatura del aire va aumentando y también la del agua, al alcanzarse los 18 ºC, la primera esfera desciende hasta el mismo fondo del tubo. A medida que la temperatura del agua va siendo ligeramente mayor que la mostrada en una plaquita la correspondiente esfera desciende hasta alcanzar las esferas que ya están en el fondo. Por tanto, en este termómetro de Galileo la temperatura en grados Celsius está próxima al valor de la plaquita de la esfera más baja que todavía se encuentra en la parte superior del tubo.

Si el tubo fuese más ancho, todas las esferas colocadas en la parte superior flotarían.

Cuando la temperatura del aire alrededor del termómetro varía el agua del tubo tarda cierto tiempo en reaccionar, por lo que se trata de un termómetro con un gran tiempo de respuesta.

Fundamento físico Su funcionamiento está basado en la variación de la densidad de un líquido al variar su temperatura y, por tanto, la variación del empuje de Arquímedes que experimenta una esfera situada en el seno del líquido con la temperatura.

Supóngase que todas las esferas tienen el mismo volumen, y la misma masa de vidrio y que la plaquita pesa lo mismo en todas, m. Lo que varía de una a otra esfera es el volumen del líquido coloreado en su interior, VL, de densidad “d” y el volumen de aire en su interior, VE – VL