jueves, 30 de junio de 2011

Cómo abrigan las cobijas


Cómo abrigan las cobijas

Una buena cobija abriga bien. Cuando nos metemos debajo de ella, calentamos y aumentamos la humedad de la cámara de aire encerrado entre su superficie y la del colchón de la cama. Este calor y la humedad lo genera el cuerpo a través de la piel y el aire exhalado por las fosas nasales. Al estar acostado en reposo en la cama con una temperatura agradable, el gasto energético de nuestro cuerpo es, en promedio, alrededor de 70 W; cada segundo cedemos al aire 70 J, al igual que un bombillo de 70 W. Así que, el calor desprendido por nuestro cuerpo aumenta progresivamente la temperatura del aire encerrado. Para impedir que este calor salga, traspase la superficie de las cobijas, éstas se fabrican con fibras muy delgadas, naturales o sintéticas, entrelazadas entre sí. De esta forma, en sus intersticios queda atrapada cierta masa de aire que impide que el calor se propague de un lado a otro de la cobija. Sin embargo, como la superficie de la cobija no es un aislante perfecto, a través de su superficie pasa cierta cantidad de energía térmica en forma de calor hacia el aire exterior que se encuentra más frío.

miércoles, 29 de junio de 2011

La Física en las Habitaciones


La Física en las Habitaciones

A continuación, en este capítulo, se presenta y discute una serie de procesos que tienen lugar en uno de los ambientes más importantes del hogar: sus habitaciones.

El aire acondicionado y el ventilador

El primer intento de ambientación se asigna a Cornelius Drebbel, alquimista y mago del Rey Jaime I de Inglaterra, cuando en el verano de 1620 diseñó un sistema de enfriamiento con hielo, sal común y un ventilador. Dos siglos después, William Thomsom (Lord Kelvin) estableció en 1842, en base a los trabajo previos de Nicolás Leónard Sadi Carnot y James Prescott Joule,  los principios termodinámicos fundamentales para el funcionamiento del aire acondicionado, a saber: 

1) Ley cero: El calor se propaga espontáneamente de los cuerpos calientes (con mayor temperatura) a los cuerpos fríos (menor temperatura).  
2)La energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. 
3) La eficiencia de una máquina térmica no llega al cien por ciento de su funcionamiento.

Además ya se conocía que durante los cambios de fase (líquido a gas o gas a líquido, por ejemplo) los materiales absorben y ceden calor sin variar la temperatura y se había establecido la ecuación de estado del gas ideal: La presión es directamente proporcional a su temperatura. Así que a partir de este conocimiento, en 1902, Willis Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna al investigar el control de la humedad por medio de tubos de enfriamiento. Sin embargo, no fue hasta 1928 que fabricó un equipo doméstico que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire, tal como lo hace el aparato que usamos actualmente en nuestros hogares.

domingo, 26 de junio de 2011

La nevera o refrigerador


Funcionamiento de la nevera. Enfriamiento magnético

Este electrodoméstico es uno de los más utilizados en las cocinas del mundo, por su utilidad  en enfriar y mantener los alimentos en buen estado por tiempo prolongado.

            Fue William Cullen quién construyó en 1784 la primera máquina para enfriar. En 1859, Ferdinand Carré fabricó el primer frigorífico por absorción, con amoniaco como gas refrigerante y en 1879, Karl von Linde construyó el primer refrigerador doméstico. A comienzos de 1920, nacieron los refrigeradores eléctricos, cuando dos suecos, Carl Munters y Balzer von Platen, inventaron uno con un compresor accionado por un motor eléctrico. En esa misma época, Thomas Midgley descubrió el gas freón (marca registrada DuPont), nombre genérico de un grupo de clorofluorocarbonos (CFC). Al poco tiempo este gas reemplazó al amoniaco. El freón se utilizó mucho en los refrigeradores y aires acondicionados, pero está demostrado que ha contribuido con la destrucción de la capa de ozono y al calentamiento global, y por tanto, se ha sustituido por otros compuestos orgánicos como el propano y el butano.

miércoles, 22 de junio de 2011

El motor eléctrico


El motor eléctrico de los electrodomésticos


Michael Faraday (1791-1867) desarrolló a finales de 1921, un ingenioso instrumento para demostrar que la energía eléctrica se podía convertir en energía mecánica de rotación (figura I.44). Hoy en día, una versión equivalente de este instrumento se conoce como motor eléctrico. Desde entonces hasta nuestros días, el motor eléctrico ha sentado pauta en todos los quehaceres de la actividad industrial, así como en las cotidianas del hogar, donde su presencia se manifiesta a través de los diversos electrodomésticos. Su funcionamiento está basado en los principios fundamentales del electromagnetismo.

lunes, 20 de junio de 2011

Flotación



Flotación de cuerpo sumergido

en solución salina

Su matemática

En esta sección  vamos a explorar el poder de la matemática como herramienta de análisis en situaciones cotidianas del diario acontecer, científicas y tecnológicas. En tal sentido, elaboraremos un “modelo teórico” a fin de simular el comportamiento de un objeto sumergido en un líquido, y sometido a ciertas condiciones que de antemano conocemos. En función del cual podremos hacer predicciones sobre el comportamiento del cuerpo sumergido,  bajo la acción de nuevos efectos que se le agreguen al entorno líquido que le rodea.
    
         Nuestro objeto de estudio es un cuerpo de peso, p = mg = D Vc g, donde D es la densidad del material y Vc  su volumen. El cuerpo se encuentra sumergido en una solución caracterizada por la concentración C y  densidad D.

         Para iniciar el análisis es necesario tener presente lo siguiente. La concentración porcentual peso-peso se define de la siguiente manera:
     Donde  m1 y  m2 son la masa del soluto y el solvente, respectivamente; de modo que C será igual a:  
Al despejar de esta ecuación  m1 en función de m2  se obtiene que,     
Por otra parte, la densidad de la solución es:
 
donde m1 + m2 es la masa total del soluto más el solvente y V el volumen de la solución, igual al volumen del solvente.

Al sustituir m1 en la ecuación de Dse tiene




Como la densidad del solvente puro Dp = m2/V, al despejar se tiene que  mDpV  y  al sustituir en Ds  la expresión se reduce a: 

Es decir, esta ecuación permite calcular la densidad de la solución en función de la concentración C y la densidad del solvente puro Dp.

Ahora bien, a continuación es necesario hacer una comparación para determinar si el objeto flota o se hunde en la solución. Existen dos fuerzas que actúan sobre él: su propio peso hacia abajo, producto de la atracción gravitacional de la Tierra y que produce el efecto de hundimiento; y el empuje, producido por la solución y que produce el efecto de flotación.

Como el peso del cuerpo es p = mg = D Vc g, donde D es la densidad del cuerpo y Vc su volumen; el empuje será E = Ds g Vc .

Al tomar el cociente E/p se tiene que, 


Por consiguiente sí: 

En este caso particular, ¿Cuál debería ser la concentración de la solución para que levite? 
Si, E = p,  entonces se debe cumplir que:


 y en consecuencia, la concentración crítica C0 debería ser,

         En base a lo anterior ahora podemos formular la siguiente pregunta: ¿qué pasaría con un huevo de gallina si se suelta en una solución de agua con sal cuya concentración peso-peso es del 17% P/P?¿Flota o se hunde? Consideremos que el huevo tiene una densidad promedio de 1,1 g/cm3. La solubilidad de la sal, es decir la máxima cantidad de cloruro de sodio (sal común) que puede disolverse totalmente en agua es de 26 g por 100 g de agua a 20 oC.

          En el caso de una solución de agua con sal, al sustituir los valores, se obtiene que la densidad de la solución es de Ds = 1,2 Dp.  Como la densidad del agua pura es 1,0 g/cm3, finalmente la densidad de la solución de sal será de 1,2 g/cm3

De acuerdo a este análisis, como la densidad de la solución es 1,2 g/cm3 y la del huevo es 1,1 g/cm3 el huevo flotaría en una solución 17% P/P. Por otra parte,  la concentración para que levite es 9,1% P/P. Este es el valor crítico de la concentración para que el huevo flote en cualquier posición dentro de la solución; en soluciones con concentraciones de sal por debajo de este valor el huevo se hunde y en soluciones con valores superiores a este valor, flota.


En la gráfica 13 se muestra las fuerzas que actúan sobre el huevo: el peso y el empuje E en función de la concentración C del agua salada (NaCl). Se puede observar, que la intersección entre el peso p (la recta) y  el empuje E (la curva) es el punto crítico donde el huevo permanece  levitando en equilibrio, que coincide con el valor calculado de 0,091. Para concentraciones por debajo de este valor, el huevo se hunde: para valores por encima, el huevo flota.

Por otra parte, como la solubilidad, es decir la máxima cantidad de cloruro de sodio (sal común) que puede disolverse totalmente en agua es de 26 g por 100 g de agua a 20 oC, es decir 26 % P/P, y la solubilidad crítica está por debajo de este valor, con una solución diluida de sal, es suficiente para que se de la flotación sin necesidad de preparar una solución sobresaturada, es decir, cuando no se puede disolver más soluto a esa temperatura y éste precipita al fondo del envase.

                A continuación se proponen las siguientes actividades:

a) Medir la masa de un huevo de gallina con una balanza. Medir su volumen por cualquier método. Determinar su densidad.

b) Repetir todo lo anterior con azúcar.

c) Elegir dos piedras, una mediana como una cebolla y otra pequeña como la cabeza de un alfiler y se sumergen en un vaso de agua. Intentar que floten agregando sal o azúcar. ¿Qué se puede concluir?

d) Elegir dos trozos de yesca de diferentes tamaños y se sueltan en el agua. Intentar hundirla agregando sal o azúcar. ¿Qué puedes concluir?

e) Pesar una piedra grande como de dos kilogramo peso en un “peso de bodega” en el aire. Pesarla después sumergida en agua. Determina su empuje por la diferencia de pesos. Mide su volumen y determina el empuje con la ecuación E = D g V. Comparar los valores obtenidos con los dos métodos.





domingo, 19 de junio de 2011

Ludión o diablillo de Descartes

Ludión o diablillo de Descartes


Este invento de Descartes de carácter eminentemente lúdico, consta de una botella plástica llena de agua con un buzo o flotador sumergido que asciende o desciende, dependiendo de la presión que se le imprima con una mano.

sábado, 18 de junio de 2011

¿Flota o se hunde?


¿Flota o se hunde?

Según lo percibido mediante el sentido común en nuestra experiencia diaria en las cocinas de nuestros hogares, podríamos afirmar que un huevo de gallina en el aire o en el agua se hunde. Sin embargo, a continuación describiremos algunas situaciones donde se produce lo contrario. Es decir, analizaremos cómo lograr que el huevo inicialmente hundido en el agua, emerja a la superficie. He aquí una forma fácil de demostrar que un líquido (fluido) ejerce fuerzas de empuje sobre los objetos sumergidos total o parcialmente en su interior, y que las mismas dependen de la densidad del líquido y el volumen sumergido.

jueves, 16 de junio de 2011

Los líquidos empujan





Los líquidos empujan



La masa de nuestro planeta Tierra deforma el espacio-tiempo a su alrededor y aparece un campo gravitacional que atrae los cuerpos en su superficie. Cercana a ésta la aceleración es de 9,8 m/s2. Tal atracción gravitacional es la responsable de la caída de los objetos, de la existencia de la atmósfera planetaria y de la acumulación de las aguas en las cuencas de los mares y océanos. Producto de la atracción terrestre la presión hidrostática en los líquidos se incrementa con la profundidad, ya que las capas de líquido más profundas soportan el peso de las capas superiores y a mayor profundidad mayor es el peso soportado. 

        Según la ley fundamental de la hidrostática para los fluidos en reposo se cumple que la presión P es directamente proporcional a la profundidad h, es decir,

P = D g h ,

donde D es su densidad y g la aceleración de la gravedad.

martes, 14 de junio de 2011

Modelo para el enfriamiento de refrescos


Aplicación de la matemática. Modelo para predecir el precio de enfriamiento de refrescos de lata en una cava de anime

Esta actividad requiere análisis de los conceptos de calor y temperatura, comparación de los procesos entre sí para determinar cuál es más importante, efectuar el cálculo y realizar el experimento. Cuando planeamos un paseo al parque o la playa siempre pensamos en una cava de anime para enfriar cierta cantidad de refrescos. Supongamos que necesitamos enfriar 10 refrescos de lata de aluminio de 300 cc cada uno hasta que la temperatura baje a 0 0C.  Para esto, necesitamos cierta cantidad de hielo en cubitos de 10 cm3 cada uno. Supongamos que la temperatura ambiente es de 30 0C. Podemos simplificar la solución proponiendo que el hielo que se ha comprado se encuentra inicialmente a 0 0C y que se “derrita” por completo, sin que aumente la temperatura del agua de hielo. ¿Cuánto dinero aproximadamente se gastaría si el precio del hielo es de 6,7 Bs (viejos, no fuertes) por cubito? La densidad del hielo es 0.92 g/cm3.

lunes, 13 de junio de 2011

Calor y temperatura



El calor, la temperatura y cómo se miden



Los términos calor y temperatura son de uso cotidiano en los ambientes del hogar y la escuela. En nuestro hogar, y en particular en la cocina, los utilizamos con frecuencia. Sin embargo, aunque muchas veces en nuestro lenguaje les atribuimos el mismo significado, representan magnitudes físicas muy diferentes. Algunos ejemplos nos ilustran lo señalado. Se siente frío el piso cuando nos paramos descalzos; en cambio las pantuflas las sentimos tibias. Se siente fría la parte metálica de una olla de acero al tocarla con las manos; en cambio, sus asas de plásticos o madera se sienten tibias. Se piensa que mientras más caliente se encuentre un cuerpo, más calor tiene; que mientras mayor cantidad de agua tenga una olla, mayor cantidad de calor tiene acumulado. Además, es habitual expresar: “Cierra la puerta, que se escape el frío” de la habitación o la nevera. En consecuencia, a continuación precisaremos estos conceptos de  termodinámica de continuo uso cotidiano.

domingo, 5 de junio de 2011

¡A fregar con jabón!


 ¡A fregar con jabón!

Todos sabemos que los jabones sirven para lavar, que son de uso obligado en el hogar y que su costo es cada día mayor. En consecuencia, proponemos este proyecto escolar con el objetivo de solventar en cierta medida los gastos de la cesta básica familiar y al mismo tiempo, que cumpla con la función pedagógica de preparación del estudiante en el uso de los conceptos fundamentales de la física y la química; para incorporarlo al trabajo productivo, con la intención de generar una economía social solidaria en la escuela, el liceo y su entorno comunitario, acorde con los planes de desarrollo endógeno establecido por el estado. Además se propone usar el aceite vegetal usado varias veces en frituras en la cocina, para contribuir con la noble acción de salvaguardar el ambiente. El aceite vegetal que se desecha en la cocina y que se vierte en los lavaplatos, va a parar a ríos y lagos del territorio nacional; como es menos denso que el agua flota en su superficie e impide su oxigenación y la entrada de luz solar.