Física con juguetes - Rampwalker 1

No es el primer juguete que enseñamos en el blog (se realizó un artículo en diciembre del año pasado sobre un árbol del sonido), ni será el ultimo, puesto que a partir de ahora se abre una nueva sección en Cluster destinada a explicar la física de algunos juguetes realmente curiosos.

El segundo entonces, pero el primero en inaugurar esta nueva sección se trata de una modalidad de rampwalker. Los rampwalkers son estos simpáticos juguetes capaces de andar por encima de la mesa (tablewalker) o los que bajan por planos inclinados. Del que vamos a hablar hoy es un tablewalker, y consta de dos figuras unidas (4 patas) unidas mediante un hilo de nylon a la pelota. Todas las figuras y la bola son de madera.

Las patas están redondeadas en la zona inferior, de esta manera al dejar caer la bola de la mesa, la fuerza del peso tira del cable de nylon, haciendo mover a los dos simpáticos muñecos. Este juguete tan simple cumple una gran cantidad de propiedades físicas, y nos puede servir en clase para explicar una gran cantidad de cosas.

Hablando en términos físicos podemos decir que la fuerza del peso de la bola que queda colgada tira a través del hilo de nylon de los muñecos. Ésta fuerza que se transmite a través del nylon se denomina Tensión y es la causante del movimiento de los muñecos. Al estirar la nariz del primero se genera un momento de fuerza que hace mover el cuerpo y por consiguiente las patas del muñeco. Si nos fijamos en la fuerza de rozamiento, ésta ha de ser suficientemente elevada como para no permitir que el juguete se deslice. Este efecto se puede conseguir jugando con el peso de la bola, el peso del juguete (y su fuerza normal) y con el coeficiente de rozamiento entre la mesa y las patas del juguete.

No obstante, existe un fenómeno realmente interesante que no hemos comentado. Fijaos en el siguiente vídeo:

¿Por qué no cae?

Realmente, la física involucrada en este fenómeno es fascinante, y nos demuestra que los principios físicos y las matemáticas se cumplen de manera increíblemente exacta. Al inicio del movimiento el objeto se encuentra lejos del borde de la mesa. La tensión que actúa en la bola posee dirección vertical y sentido ascendente. Esta tensión posee una reacción de fuerza según la tercera ley de Newton, en el otro extremo del cable, atada a la punta de la nariz del juguete. Esta tensión, no obstante no posee una dirección horizontal o vertical, sino que posee un ángulo determinado con al horizontal. Físicamente y matemáticamente hablando la tensión puede descomponerse en dos tensiones, una vertical (Ty) y otra horizontal (Tx).

La componente Ty no realiza una fuerza capaz de desplazar el objeto, diremos pues que no realiza trabajo. Su función principal es la de aumentar la fuerza normal, para así aumentar la fuerza de rozamiento del juguete. La componente Tx si que realiza trabajo, y por lo tanto desplazamiento al juguete. Es la causante de que se mueva.

Si nos fijamos atentamente, a medida que el juguete avanza el ángulo con la horizontal aumenta, dejando la componente Tx cada vez mas pequeña, y la componente Ty mas grande, hasta que llega un momento en que se consiguen los 90º y no hay componente Tx. Toda la Tensión se ha convertido en Ty y no hay ninguna fuerza que arrastre el juguete y por tanto que realice trabajo. Es entonces cuando el muñeco se para.

La dificultad estriba en conseguir un peso en la pelota de manera que pueda hacer mover el objeto, pero no realice momento para hacerlo caer cuando llega al borde de la mesa. Obviamente no funciona este efecto con mesas redondeadas, donde el rampwalker cae por la acción de la gravedad inexorablemente.

La primera vez que vi estos simpáticos juguetes fue en las fantásticas demostraciones realizadas por Julius Sumner Miller, colgadas en youtube por logindoss. Miller, un reconocido físico, alumno y amigo personal de Albert Eisntein, se hizo realmente famoso por sus demostraciones prácticas y por su curioso talante en unos programas de física para niños "What it is so?" i "Science Demonstracions". Sus clases siempre empezaban de la misma manera:

- How do you do, ladies and gentlemen, boys and girls? I am Julius Sumner Miller, and physics is my business.

-"Como están damas y caballeros, chicos y chicas? Soy Julius Sumner Miller y la física es mi trabajo."

El juguete que he utilizado para este vídeo, y que utilizo en clase, se puede conseguir a traves de la página web de Perpetuum-mobile. Una empresa suiza de juguetes científicos muy curiosa y recomendable.

Saludos

Sergio

500 000 visitas

Si el 27 de Febrero me alegraba por llegar a las 400 000 visitas en el blog, en poco mas de dos meses hemos conseguido llegar la medio millón de visitas, que se dice rápido. Muchas gracias a todos por vuestras visitas.

No obstante, estas cifras llegan en un momento realmente duro para la enseñanza y para la divulgación y creación de conocimiento en nuestro país, es por ello que mi alegría no es completa y no puede serlo. Los días se suceden huelga tras huelga, protesta tras protesta, asambleas y quejas a un equipo de gobierno que no está mirando mas allá de lo que le conviene.

El grupo Amazings ha abierto una iniciativa bastante buena para combatir los recortes que se están realizando en investigación con la campaña SIN CIENCIA NO HAY FUTURO, en el que conocidos bloggers y científicos nos explican en vídeos breves como puede afectar los recortes en ciencia e investigación.

Estoy totalmente de acuerdo con el logo y con la iniciativa del proyecto, no en vano he trabajado varios años en investigación, y creo firmemente en que la ÚNICA salida a la crisis económica a la larga, será a partir de las ideas y del trabajo de investigación que se realiza en nuestro país. Investigar y crear es la única manera de diferenciarse y crear un potencial interesante en un país donde la playa, el sol y el turismo hace mucho tiempo que no es suficiente para levantar al país. Innovar y crear productos competitivos con otras marcas es el camino, y para ello la ciencia es indispensable.

Pero nos estamos olvidando de una parte muy importante y que está siendo masacrada de una manera evidente, y no estoy hablando de sanidad (que no tengo palabras para definir), sino con la educación del país. La educación es todo, el pilar básico sobre el que se sustenta el futuro del país. Un país analfabeto difícilmente podrá llegar a conseguir los recursos para innovar, crear y trabajar para evolucionar. Así que aunque no nos lo parezca, las decisiones de recortes drásticos que está tomando el ejecutivo respecto a educación no solo afecta los montones de interinos que se van a quedar en paro, al montón de horas mas que tendremos que realizar nosotros, que es algo insignificante, sino que afecta a algo muchísimo mas importante: estos recortes hipotecaran al país a largo plazo, en el momento en que la generación que sufrirá las consecuencias de los recortes madure y se encuentre un país que no solo no se ha desarrollado, sino que ha producido una generación que tampoco será capaz de hacerlo por si misma.

Perdonad que me encuentre profundamente conmocionado por todo lo que oigo y veo, y no realice tanto artículos como antes. El blog es de carácter científico y no político, pero tenía que decirlo.

Vosotros que entráis y que sentís curiosidad por la ciencia sois el motor de vuestro país, ¡¡ ánimo y adelante!!

Mas información sobre la situación en Catalunya:

- USTEC
- CCOO


Hoy recordamos mas que nunca los famosos chistes del desaparecido dibujante el Perich.

Un saludo bien grande y mil gracias nuevamente,

Sergio

Por amor a la física

Mañana es día 23 de Abril, día de Sant Jordi, y se conmemora la muerte de éste el 23 de Abril de 303. Aquí en Cataluña se celebra la diada y el día de los enamorados, y tenemos como costumbre, muy sana por cierto, regalar una rosa para las chicas y un libro para ellos. Pues si seguís esta tradición o simplemente quereis regalar un libro o comprarlo para vosotros mismos, os recomendaré uno: Por amor a la física de Walter Lewin.

Durante 306 páginas Lewin nos realiza un paseo por toda la física, y por todas sus clases, explicando anécdotas y formas de hacer, utilizando demostraciones prácticas para cada uno de los puntos de los que trata. Un libro en general excelente, muy didáctico y asequible para todo el mundo, donde es ayudado por algún que otro esquema o dibujo, pero no por ninguna fórmula matemática. La primera edición en castellano es del febrero del 2012, publicado por la editorial debate.

El señor Lewin desde luego no deja indiferente. Su manera de ayudar a realizar titulares para la prensa y su arrogancia o poca humildad han calado entre algún sector del profesorado de ciencias, creándose dos sectores diferenciados, los pro-Walter Lewin, que lo adoran, y los que lo consideran simplemente un payaso. Frases como "si tu nota es de un uno o un dos es que tienes un mal profesor" o "puedo hacer que cualquiera se enamore de la física", o sencillamente el anuncio que realizó Warren Goldstein en la introducción de su libro, diciendo que es el mejor profesor de física del mundo, han sido algunos de los factores que han provocado tal ruptura entre algún sector del profesorado.

Y la verdad es que se lo merece. ¿Me está diciendo este buen señor que durante sus 40 años de docente en el MIT jamas tuvo un alumno por debajo de la nota de 3? ¿Que sus clases se llenaban y que todos los alumnos salían contentísimos? Pues creo que no. Lo cierto es que en los vídeos grabados de sus clases se observan bastantes asientos vacíos y ademas en un vídeo en concreto podemos ver como el señor Lewin juzga de idiotas a aquellos alumnos que en su test de satisfacción han comentado que no están contentos con su profesor. Señor Lewin...por favor.

 

Por otro lado tampoco podemos comparar la Universidad con la Secundaria o Bachillerato, donde yo opero, puesto que es mas difícil encontrar personas que no les guste la física en la facultad, y mas si es en la facultad de física. Quizá debería haber enunciado el señor Lewin, que es capaz de hacer que cualquier estudiante de física del MIT se enamore de la física. Hubiera sido mas apropiado, aunque quizas tampoco es eso del todo cierto. Y sobre si es el mejor profesor de física del mundo...pues que quiere que le diga, no los he conocido a todos, la verdad. 

No obstante, y pese a la publicidad agresiva de su campaña, y las particularidades del profesor, he de reconocer que Walter Lewin me gusta. No me entadais mal, me encanta Walter Lewin, me gustan mucho sus clases, me encanta su forma de enfocar la física y su pasión por ella. Ojalá algun día llegara a ser una décima o centésima parte de lo que ha llegado a ser Walter Lewin. Comparte conmigo muchas de las ideas sobre docencia en ciencias y estoy, al igual que él, a favor de enfocar la física y en general las ciencias, de una manera mucho mas conceptual que no matemática, sobretodo en las etapas iniciales de la ESO. Pero también en las etapas posteriores, y explicar tanto la física como la química, haciendo entender al alumno el sentido físico y químico de todo lo que realiza, y no simplemente explicar "como realizar ejercicios" de manera mecánica. Y aquí sí que me apropio de una frase de Lewin: "Os estoy evaluando de física y no de malabarismos matemáticos". Lo cierto es que estoy aprendiendo mucho con sus clases, y realmente os las recomiendo, puesto que no solamente mira la física de una manera mas práctica, realista y divertida, sino que su forma de hablar, de expresarse y de sentir la física le hacer inigualable. En cada una de sus clases magistrales aparecen demostraciones, que pienso utilizar en las mías (si tengo espacio). Aquí os dejo con algunas de sus clases, la primera sobre instrumentos musicales y la segunda sobre la conservación de la energía mecánica.

 

Podéis encontrar todas sus clases, con la posibilidad de descarga, incluso en algunas ocasiones con subtítulos en ingles, en los siguientes links:

1. Physics I: Classical Mechanics - Fall 1999. Mas información aquí.
2. Physics II: Electricity and Magnetism - Spring 2002. Más información aquí.
3. Physics III: Vibrations and Waves - Fall 2004. Mas información aquí.

Yo ya me estoy bajando todas las clases del profesor Lewin para tenerlas de consulta, quizás dentro de un tiempo no estén disponibles, y habría sido una pérdida irremplazable. También podéis verlas a través del canal del MIT en youtube. Mas información en la entrada sobre Walter Lewin de Amazings.

¿Y vosotros que pensáis sobre Walter Lewin?

Saludos,

Sergio

Los colores del Vanadio

Es bien sabido que la gran mayoría de metales de transición son capaces de mostrarnos maravillosos colores. A partir de cobalto, manganeso, hierro y demás, podemos crear, cual pintor, toda una paleta realmente intensa de colores. Uno de ellos es el Vanadio, que ademas nos brinda un color radicalmente diferente para cada estado de oxidación.

El Vanadio posee 4 estados de oxidación, el +2, +3, +4 y el +5. En esta reacción podremos diferenciar estos estados de oxidación, ya que cada estado posee un color diferente. Partiremos del Vanadio +5 (V+5) de color amarillo, para posteriormente pasar por el +4 (V+4) de color azul, el Vanadio +3 (V+3) de color verde, y un Vanadio +2 (V+2) de color malva.


Para realizar esta experiencia partiremos de 11,7 g de la sal de metavanadato de amonio (NH4VO3), que podremos disolver en 1litro de disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) 1M. La disolución se vuelve de color amarillo, característico de la especie dioxovanadio (V) (VO2+), en la que el Vanadio posee estado de oxidación +5. Tambien podemos ver la aparición de un sólido rojo, el V2O5, que puede filtrarse si se desea.

A continuación añadiremos una pequeña cantidad de zinc en polvo que reducirá la especie de vanadio hasta el estado de oxidación +2, pasando por todos los otros, si la cantidad es suficientemente pequeña.La especie de color azul es el complejo [VO(H2O)5]2+, con un color azul cielo muy bonito. La especie verde es el V3+ (aq) y la de color malva el V2+ (aq). Otra opción en la reacción, es añadir diferentes tipos de reductores para obtener cada uno de los estados de oxidación por separado. Estos reductores pueden obtenerse buscando sus potenciales de reducción estandard para cada semireacción. Podremos ver el proceso en el siguiente vídeo:




Las semireacciones de reducción con sus respectivos potenciales de reducción se encuentran en la siguiente tabla:

Como hemos mencionado antes la reacción puede realizarse añadiendo una pequeña cantidad de Zn(s) en polvo. Éste irá reaccionando lentamente hasta llegar a la especie mas reducida de vanadio pasando por todos los colores. Es necesario añadir muy poca cantidad de Zn, ya que si hay una gran cantidad se observará inmediatamente el color malva, sin pasar por todos los intermedios de reacción.

 

Esta reacción es un buen ejemplo de reacción red-ox, de estados de oxidación, es útil para calcular potenciales estándares de reacción, y un sin fin de conceptos mas, como por ejemplo el de reactivo limitante utilizando cantidades mínimas de Zn, el de intermedio de reacción, etc...Os dejo con unas pocas fotos del experimento:

Espero que haya sido interesante, un saludo!!

Sergio