Universidad del valle

Facultad de Ciencias Naturales y Exactas

Departamento de Física

Laboratorio de Física Fundamental II

1. Objetivos.

Medir la tensión superficial σ del agua a temperatura ambiente y estudiar sus

variaciones (agua destilada y agua jabonosa).

Comparar la incertidumbre experimental usando dos métodos de medición: manual y digital.

2. Teoría.

En un fluido cada molécula interacciona con las moléculas a su alrededor. El radio de acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, abarcando sólo a las moléculas vecinas más cercanas. Vamos a determinar de forma cualitativa,

la resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula que se encuentra en: A, el interior del líquido B, en las proximidades de la superficie

C, en la superficie

Consideremos una molécula en el seno de un líquido en equilibrio, alejada de la superficie libre, tal como la A. Por simetría, la resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas que la rodean será nula. En cambio, si la molécula se encuentra en B, por existir en promedio menos moléculas arriba que abajo, la molécula en cuestión estará sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido. Si la molécula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso B. En conclusión, las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la

superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del líquido.

Como todo sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía potencial, se comprende que los líquidos tengan una tendencia a presentar al exterior la superficie más pequeña posible. En consecuencia, para aumentar la superficie libre, debe suministrarse una cierta cantidad de energía al líquido. Sea ΔA el incremento en la superficie libre, y ΔE la cantidad de energía suministrada. Se denomina tensión superficial σ del

líquido al cociente de la energía suministrada ΔE y la variación de área ΔA, a temperatura constante:

(1)

Se puede medir la tensión superficial con un anillo de metal con filo agudo que se sumerge por completo en el líquido en posición horizontal y queda totalmente cubierto por él (ver figura 3, que muestra el montaje que se usará en el laboratorio para la medición manual). Observe ahora la figura 2, que representa el anillo visto de lado, mientras se está extrayendo lentamente del líquido. El líquido se adhiere al borde inferior del anillo, de modo que se alza una delgada membrana de líquido de forma circular. Cuando el anillo es elevado una distancia adicional manteniéndose en equilibrio debe aplicarse una fuerza vertical de magnitud F, que es la magnitud que vamos a medir directamente en el experimento. El trabajo realizado por la fuerza F, a saber F , es igual al

incremento ΔE de energía potencial de la

película de líquido, debido al aumento ΔA del área superficial:

(2) ΔE = F

Figura 2: Membrana debida a la tensión superficial

Si la membrana está a punto de romperse, la elevación del anillo produce un aumento del área superficial:

(3)

R = radio del anillo. Justifique la ecuación (3): ¿Qué aproximación geométrica se está efectuando en relación al aumento del área superficial?; ¿De dónde viene el factor 4 en la ecuación?

Teniendo en cuenta (1), (2) y (3), se obtiene

para σ el valor:

(4)

3. Montaje experimental.

Materiales

Un dispositivo para tensión superficial CASSY LAB (software, interface, sensor de fuerza, anillos metálicos) (36746)

Un dinamómetro de precisión 0.1 N (314111)

Un calibrador (31152)

Recipiente 95 mm Ø (664175)

Laborboy (30076)

Varilla de soporte, 75 cm (30043)

Pinza con mordaza (30108)

Agua, agua destilada y agua con jabón

Termómetro (termocupla)

Procedimiento

1. Procedimiento manual

Figura 3: Montaje manual

Para montar el experimento con el dinamómetro, debemos tener presente los siguientes pasos:

1. Identifiquen los.elementos en la mesa de trabajo y armen el montaje que aparece en la figura 3. Se debe limpiar cuidadosamente el recipiente y desengrasar los anillos con alcohol.

2. Observen el dinamómetro de precisión (que mide hasta 0.1 N). La función del manguito inferior deslizable es “poner en cero” la escala del dinamómetro.

3. Agreguen agua al recipiente y sitúenlo sobre el laborboy en su posición más baja.

4. Verifiquen que los hilos que se utilizarán como tensores estén uniformemente tensionadas o de igual longitud, de modo que el anillo se encuentre suspendido horizontalmente.

5. Deslicen el manguito del dinamómetro de precisión para colocarlo en cero.

6. Eleven el laborboy hasta que el anillo quede completamente sumergido. Luego se hace descender con cuidado el laborboy, leyendo siempre sobre el dinamómetro la fuerza de tracción que el agua ejerce sobre el anillo. La membrana de líquido se forma cuando el filo inferior del anillo de metal toca la superficie del líquido. En este momento deben ser muy cuidadosos y seguir bajando más lentamente el laborboy, para evitar que la membrana se rompa antes de tiempo. Observen cómo va aumentando la curvatura del líquido mientras la fuerza de tracción va aumentando (ver figura 2). Cuando la fuerza de tracción deja de aumentar a pesar de que el laborboy sigue bajando, se está cerca de la ruptura de la membrana.

7. Lean y anoten la fuerza de tracción F (ecuación 2), inmediatamente antes de la ruptura

8. Determinen el diámetro del anillo

2. Procedimiento digital El procedimiento anterior se repite con el agua, el agua destilada y el agua con jabón, utilizando el sensor de fuerza en lugar del

dinamómetro y el correspondiente software CASSY LAB (er apéndice). Genere la gráfica Fuerza ascendente ejercida por el sensor sobre el anillo en función de tiempo mientras sube y baja el laborboy. Observe con atención y simultáneamente los comportamientos del anillo y de la gráfica a medida que ésta se va generando.

Grafica 4: Elementos a utilizar en el procedimiento digital

4 Análisis de resultados

i) Interpreten el significado de la forma de la gráfica Fuerza en función del tiempo (¿qué representan los máximos y mínimos, los picos, las zonas planas?) ii) Determinen la fuerza F que figura en la ecuación (2), a partir de la lectura del dinamómetro y también a partir de la gráfica generada por el software, y calcular σ para cada uno de los casos a partir de la ecuación (4). Comparen el valor experimental para el agua destilada con el valor de referencia a temperatura ambiente (74 mN/m) iii) Adicionalmente usen la gráfica para calcular la fuerza de flotación.

+ Sensor de

fuerza

APÉNDICE: MINI MANUAL CASSY LAB

Al abrir el programa el sistema debe reconocer la interface y los sensores conectados a los mismos si ha sido previamente conectada a un puerto USB habilitado. Si uno o varios CASSYs han sido reconocidos, la página CASSY de la ventana de ajuste (figura 1) muestra la configuración actual (con los sensores eventualmente conectados). Para llevar a cabo una medición, sólo se requiere hacer

un clic sobre la entrada o salida respectiva, apareciendo la ventana principal (figura 2)

Una entrada o salida activa (canal)

quedará marcada con un color y será

colocada como botón en la parte de

arriba, a la derecha junto con los

botones rápidos de la ventana

principal (aquí IA1 y UB1).

Estos botones representan la posibilidad más simple para visualizar o cerrar (tecla izquierda del ratón) un

instrumento de medición del canal o modificar su ajuste (tecla derecha del ratón). Además, el canal aparece

automáticamente al inicio en la tabla

y en el diagrama .

Las funciones básicas pueden ser ejecutadas directamente con

los botones rápidos de la línea superior. Los botones rápidos más importantes también pueden ser operados mediante las teclas de funciones.

Debajo, mediante un clic de una de las páginas de

representación es posible conmutar entre la

representación tabular y la

del diagrama , si anteriormente se definieron diferentes tipos de representación (aquí Estándar y Curvas características). L a t abla y

el diagrama pueden ser maximizadas o minimizadas entre sí desplazando la línea de separación

con el ratón.

En muchos lugares ambas teclas del ratón (izquierda y derecha) tienen una función:

Elemento de mando

Disposición de CASSY

Tecla izquierda del ratón Tecla derecha del ratón

Conexión y cambio de un canal Conexión y cambio de un canal

Botón canal Abrir y cerrar el instrumento indicador Ajustes del canal

Instrumento indicador

Nombre de la

representación

Desplazamiento de la línea de separación entre la indicación digital y la indicación analógica, drag & drop de los valores hacia

Conmutación hacia otra representación previamente definida

Ajustes del canal

Figura 1

Figura 2

También la asignación de teclas de los botones rápidos facilita frecuentemente el trabajo:

F4

Borra la medición actual manteniendo sus ajustes o, si no hay medición presente, borra los ajustes actuales.

Si se aplica por segunda vez esta función borra una medición con sus ajustes.

F3

Carga una serie de medición con sus ajustes y sus evaluaciones.

Aquí también es posible adjuntar una serie de medición a una serie de medición presente (sin cargar sus ajustes y evaluaciones). Esto puede hacerse si las series de mediciones poseen las mismas variables de medida. Alternativamente también se puede medir otra serie de medición a posteriori y adjuntarla.

Se dispone además de un filtro de importación ASCII (tipo de archivo *.txt).

F2

Guarda las series de mediciones actuales con sus ajustes y sus evaluaciones.

Aquí también se pueden almacenar sólo ajustes (sin datos de medición), con los cuales usted podrá repetir fácilmente un experimento.

Se dispone además de un filtro de exportación ASCII (tipo de archivo *.txt). Los archivo CASSY Lab (tipo de archivo *.lab) son leíbles con cualquier editor de textos.

Imprime la tabla actual o el diagrama actual.

F9

Inicia y detiene una nueva medición.

Por otro lado una medición también puede ser detenida prefijando un tiempo de medición.

F6

Representa el contenido de la línea de estado en un cuadro grande o lo oculta nuevamente.

F1

Llama a esta ayuda.

Da información sobre la versión del software y permite la entrada del código de desbloqueo.

F7

Cierra todos los instrumentos indicadores abiertos o los abre nuevamente.

Exportar e importar en formato ASCII

Si en la ventana de selección de archivo elige como tipo de archivo *.txt, entonces podrá exportar o importar fácilmente archivos ASCII.

El formato de los datos empieza con un encabezado, en el que todas las líneas empiezan nuevamente con una palabra clave. De esta manera se fijan los rangos de medición (MIN, MAX), escalas (SCALE), número de decimales significativos (DEC) y la propia definición de las magnitudes de medición (DEF). Excepto la línea DEF todas las otras son opcionales. Después del encabezado sigue la tabla con los valores medidos.

Véase por ej. el sintaxis exacto del archivo que se crea en una exportación de datos.

Línea de estado

En la línea de estado en el borde inferior de la pantalla se visualiza los resultados de la evaluación. Este resultado puede ser representado también en una ventana grande o

hacerlo desaparecer pulsando o F6.

Drag & Drop

Los resultados de la evaluación que se muestran en la línea de estado pueden ser arrastrados con el ratón hacia la tabla (arrastrar y dejar caer). De esta manera se pueden crear diagramas que dependan de los resultados de la evaluación.

Medición

F9 Inicia y detiene una nueva medición. Durante o después de una medición, la tecla derecha del ratón abre en la tabla el menú de la representación tabular y en el diagrama el menú de evaluaciones.

F5

Da la posibilidad de modificar los ajustes y los parámetros de medición (al accionar la tecla dos veces), mediante la cual la propia medición es controlada:

La modificación que debe hacerse en esta ventana es en las siguientes opciones: (intervalos x número = Tiempo) estas deben colocarse en su máxima cantidad y en el tiempo ajustarla a que nos de los datos en milisegundos.