Experimentos

Me lo contaron y lo olvidé, lo vi y lo entendí, lo hice y lo aprendí.
Confucio

Indice

• Midiendo
• La aguja de Buffon
• El mar de aire
• ¿Qué hay en una tinta?
• ¿Está cocido?
• Mide tu tiempo de reacción
• ¿Flota o se hunde?
• Una moneda que desaparece
• El Ludión
• Química de ácidos y bases

Midiendo

Material Necesario

Una tira de papel, una regla, un objeto cilíndrico, por ejemplo, una lata de refresco.

Método

• Rodea la lata con la tira de papel y corta lo que te sobre o haz una marca en la tira.
• Sitúa la tira sobre una superficie horizontal y mide su longitud o hasta la marca si decidiste no cortar la tira.
• Mide el diámetro de la lata. Puedes situarla entre dos objetos y luego medir la distancia entre ellos.
• El cociente entre las dos medidas es el número .

Explicación

La relación entre la longitud de una circunferencia de radio r (2r) y su diametro (2r) es

La aguja de Buffon

Georges Louis Leclerc(1707-88), Conde de Buffon fue un celebre naturalista francés autor de una monumental Historia Natural en 44 tomos que recopilaba el conocimiento científico con un fin eminentemente divulgativo. Hoy en dia su nombre aparece muchas veces asociado a un problema denominado "La aguja de Buffon" que relaciona el número pi con el lanzamiento de una aguja sobre una superficie rayada.

Buffon demostro que si lanzamos, al azar, una aguja de longitud L sobre una superficie en la que hay dibujadas líneas paralelas separadas una distancia D, la probabilidad de que la aguja corte a una línea es :

Material Necesario

• Una superficie con líneas paralelas (Puede servir una hoja de papel sobre la que previamente hayas dibujado varias lineas equidistantes o un suelo embaldosado)
• Una aguja, palillo u objeto similar, de longitud menor o igual a la distancia entre líneas (Para simplificar es conveniente que la distancia entre dos rayas coincida con la longitud de la aguja)

Método

• Deja caer, de la forma más aleatoria posible, la aguja sobre la superficie.
• Anota el número de tiradas y el número de veces que la aguja corta a una línea.
• El cociente entre el número total de tiradas y el número de veces que la aguja corta a una línea tiende a pi/2 ( se parecerá tanto más cuanto mayor sea el número de tiradas)
  
  
  
  
• Si la aguja tiene una longitud (L) menor que la distancia entre dos líneas (D) :
  
  

Aquí tienes dos programas para simular el experimento de la aguja de Buffon en tu ordenador :

• Buffon (Windows 95) : buffon95.zip (143 kbytes)
• Buffon (DOS) : buffdos.zip (9 kbytes)

Si quieres calcular varios millones de cifras de pi en muy poco tiempo, aquí tienes un programa hecho en el Laboratorio Kanada de la Universidad de Tokio por los mismos(D. Takahashi & Y. Kanada) que tienen el record actual de cifras de Pi (52.000.000.000) :

• Super Pi(Windows 95, NT o 3.1 con Win 32s) super_pi.zip (72 kbytes)

Si quieres conocer unas cuantas cifras de Pi

Si quieres saber un poco más sobre el número Pi: el número

El mar de aire

En palabras de Evangelista Torricelli(1608-1647) vivimos en el fondo de un mar de aire. Sobre cada una de nuestras cabezas tenemos aproximadamente 2 toneladas de aire que ejercen una presión de 101300 N/m².
¿Cómo es posible que no notemos semejante presión?
La respuesta es que todo nuestro interior está también a esa misma presión. Si en un momento dado todo el aire de la atmósfera desapareciera de la Tierra, literalmenre explotaríamos debido a la presión de nuestro interior que no estaría contrarrestada.
Aunque en la superficie de la Tierra todo está sometido a la presión del aire, es posible concebir experiencias que la pongan de manifiesto :

	Llena un vaso de agua hasta el borde. Pon sobre él una cartulina o una tarjeta postal (si no tienes usa una hoja de papel). Dale la vuelta con cuidado y observa como el agua no se cae. El aire que empuja el papel por debajo, sería capaz de mantener el agua de un vaso de 10 m de altura.
Llena un vaso con agua y sumérgelo en un recipiente que contenga agua. Coge el vaso por la parte de abajo y levántalo lentamente hasta que su parte superior casi sobrepase el nivel del agua en el recipiente(como en la figura). Observa como no se vacía. Igual que en la experiencia anterior el aire que empuja la superficie libre del recipiente sería capaz de mantener el agua de un vaso de 10 m de altura
	Pon una regla en el borde de una mesa de tal manera que asome más o menos la mitad. Cubre con una hoja de periódico la mitad que queda sobre la mesa, Da un golpe seco sobre el trozo de regla que se ve. Observa como no se cae. La fuerza que ejerce el aire sobre la hoja de periódico lo impide.

¿Qué hay en una tinta?

Los biólogos, médicos y químicos necesitan con frecuencia separar los componentes de una mezcla como paso previo a su identificación.

La cromatografía es una técnica de separación de sustancias que se basa en las diferentes velocidades con que se mueve cada una de ellas a través de un medio poroso arrastradas por un disolvente en movimiento.

Vamos a utilizar esta técnica para separar los pigmentos utilizados en una tinta comercial.

Material necesario

• Una tira de papel poroso. Se puede utilizar el papel de filtro de una cafetera o incluso recortar el extremo (sin tinta) de una hoja de periódico.
• Rotuladores o bolígrafos de distintos colores.
• Un vaso
• Un poco de alcohol

Prodecimiento

• Recorta una tira del papel poroso que tenga unos 4 cm de ancho y que sea un poco mas larga que la altura del vaso.
• Enrrolla un extremo en un bolígrafo(puedes ayudarte de cinta adhesiva) de tal manera que el otro extremo llegue al fondo del vaso. (ver dibujo)
• Dibuja una mancha con un rotulador negro en el extremo libre de la tira, a unos 2 cm del borde. Procura que sea intensa y que no ocupe mucho. (ver dibujo)
• Echa en el fondo del vaso alcohol, hasta una altura de 1 cm aproximadamente.
• Sitúa la tira dentro del vaso de tal manera que el extremo quede sumergido en el alcohol pero la mancha que has hecho sobre ella quede fuera de él.
• Puedes tapar el vaso para evitar que el alcohol se evapore.
• Observa lo que ocurre : a medida que el alcohol va ascendiendo a lo largo de la tira, arrastra consigo los diversas pigmentos que contiene la mancha de tinta. Como no todos son arrastrados con la misma velocidad, al cabo de un rato se ven franjas de colores.
• Repite la experiencia utilizando diferentes tintas.

¿Cómo podemos saber si un huevo está cocido sin romper la cáscara?

La solución es muy sencilla : sólo tenemos que hacerlo girar. Si está cocido, girará uniformemente durante un rato describiendo círculos. Si está crudo, girará dando tumbos, su movimiento será errático y pronto dejará de girar.

Explicación :

Al estar cocido la distribución de masa en su interior no cambia a medida que gira. Si está crudo, la yema se desplazará en su interior cambiando la distribución de su masa haciendo que el giro no sea uniforme.

Mide tu tiempo de reacción

Material necesario

• Una regla de unos 50 cm

Procedimiento

• Pide a un amigo que sostenga una regla tal como se indica en la figura y que la deje caer sin avisarte.
• Sitúa tus dedos sobre el cero y cuando veas que la suelta, cierra los dedos sobre ella.
• Anota la distancia que ha caído la regla. Vendrá indicada por la división que se encuentre debajo de tus dedos.
• Repítelo varias veces hasta que obtengas valores similares

Explicación

La distancia que ha caído la regla depende de tu tiempo de reacción.
Si no se tiene en cuenta el rozamiento con el aire, un cuerpo que cae libremente, partiendo del reposo, recorre una distancia vertical que viene dada por :

	d : distancia recorrida
	g : aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)
	t : tiempo que dura la caída

• Despejando de la expresión anterior, el tiempo de reacción será :
  

  

  si se expresa la distancia (d) en centímetros y se tiene en cuenta que la aceleración de la gravedad (g) vale 980 cm/s². El tiempo de reacción expresado en segundos será :
  

  

En la tabla aparecen algunos ejemplos de tiempos de reacción según la distancia recorrida por la regla

Distancia Recorrida (cm)	Tiempo de Reacción (s)
5	0,10
10	0,14
15	0,18
20	0,20
25	0,23
30	0,25

Cálculo del tiempo de reacción a partir de la distancia o viceversa

Introduce uno de los dos valores y haz click FUERA de la casilla

¿Flota o se hunde?

Material necesario

• 3 vasos grandes
• un huevo
• agua
• sal

Procedimiento

• Llena dos vasos con agua
• Añádele a uno de ellos sal poco a poco. Revolviendo con una cuchara, trata de disolver la mayor cantidad posible. En un vaso de 200 cm³ se pueden disolver unos 70 g de sal.
• Coloca el huevo en el vaso que tiene solo agua : se irá al fondo.
• Colócalo ahora en el vaso en el que has disuelto la sal : observarás como queda flotando.
• Pon el huevo y agua hasta que lo cubra y un poco más, en el tercer vaso. Añade agua con sal, de la que ya tienes, hasta que consigas que el huevo quede entre dos aguas(ni flota ni se hunde).
• Si añades en este momento un poco de agua, observarás que se hunde. Si a continuación añades un poco del agua salada, lo verás flotar de nuevo. Si vuelves añadir agua, otra vez se hundirá y así sucesivamente.

Explicación

Sobre el huevo actúan dos fuerzas, su peso (la fuerza con que lo atrae la Tierra) y el empuje (la fuerza que hace hacia arriba el agua).

Si el peso es mayor que el empuje, el huevo se hunde. En caso contrario flota y si son iguales, queda entre dos aguas.

El empuje que sufre un cuerpo en un líquido, depende de tres factores :

• La densidad del líquido
• El volumen del cuerpo que se encuentra sumergido
• La gravedad

Al añadir sal al agua, conseguimos un líquido mas denso que el agua pura, lo que hace que el empuje que sufre el huevo sea mayor y supere el peso del huevo : el huevo flota.

Así también se puede explicar el hecho de que sea más fácil flotar en el agua del mar que en el agua de rios y piscinas.

Una moneda que desaparece

Material necesario

• una moneda
• un vaso
• agua

Procedimiento

Se coloca la moneda en el fondo del vaso vacío tal como se indica en la figura A. La luz que sale de la moneda se transmite en línea recta e incide en el ojo.
Al bajar un poco la posición del ojo, la moneda desaparece (figura B).
Al llenar el vaso con agua, la moneda aparece de nuevo(figura C)

Explicación

Cuando el rayo de luz que proviene de la moneda llega a la superficie que separa el agua del aire, se produce un cambio en la dirección en que se propaga. Como consecuencia de este cambio de dirección, se vuelve a ver la moneda.
Este fenómeno característico no solo de la luz, sino de todo tipo de ondas, se llama refracción y ocurre siempre que una onda pasa de un medio a otro. El cambio de dirección es tanto mayor, cuanto mayor sea la diferencia de velocidades de la onda en un medio y en el otro.

El Ludión o diablillo de Descartes

Un poco de historia

En su versión original fue obra de Descartes. El nombre "Ludión" se debe a que su propósito era eminentemente lúdico. En una botella llena de agua, se encontraba sumergido un diablillo que se movía según se presionase más o menos la botella.

Material necesario

• Una botella de plástico transparente de aproximadamente 1,5 litros. Si es posible con tapón de rosca.(Por ej. una de refresco)
• Una carcasa de bolígrafo que sea transparente.
• Pequeños trozos de un material denso que se puedan introducir en el interior de la carcasa del bolígrafo. Por ejemplo : trozos de alambre, perdigones, etc.

Construcción

• Si el bolígrafo tiene un agujero lateral, se tapa con cinta adhesiva.
• Se llena la botella con agua
• Se pone el material denso en el interior del bolígrafo, de tal manera que quede flotando, prácticamente sumergido, una vez tapado el agujero superior. El agujero interior no debe quedar completamente tapado.
• Se cierra la botella.

Funcionamiento

Cuando se presiona la botella lo suficiente, se observa como el bolígrafo desciende hasta llegar al fondo. Al disminuir la presión ejercida, el bolígrafo asciende de nuevo.

Explicación

Al presionar la botella se puede observar como disminuye el volumen de aire contenido en el interior del bolígrafo. Al dejar de presionar, el aire recupera su volumen original. Esto es consecuencia del principio de Pascal : Un aumento de presión en un punto cualquiera de un fluido encerrado se transmite a todos los puntos del mismo.
Antes de presionar la botella, el bolígrafo flota debido a que su peso queda contrarrestado por la fuerza de empuje ejercida por el agua. La disminución del volumen del aire en el interior del bolígrafo, lleva consigo una reducción de la fuerza de empuje ejercida por el agua. Esto es una consecuencia del principio de Arquímedes : Todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical ascendente que es igual al peso del fluido desalojado.

Química de ácidos y bases

[Adaptado de Snyder, (1995)]

Un poco de información previa

¿Qué son ácidos y bases ?

Los ácidos y bases son dos tipos de sustancias que de una manera sencilla se pueden caracterizar por las propiedades que manifiestan.
Los ácidos :

• tienen un sabor ácido
• dan un color característico a los indicadores (ver más abajo)
• reaccionan con los metales liberando hidrógeno
• reaccionan con las bases en proceso denominado neutralización en el que ambos pierden sus características.

Las bases :

• tienen un sabor amargo
• dan un color característico a los indicadores (distinto al de los ácidos)
• tienen un tacto jabonoso.

En la tabla que sigue aparecen algunos ácidos y bases corrientes :

¿Qué es el pH ?

Los químicos usan el pH para indicar de forma precisa la acidez o basicidad de una sustancia. Normalmente oscila entre los valores de 0 (más ácido) y 14 (más básico). En la tabla siguiente aparece el valor del pH para algunas sustancias comunes.

¿Qué es un indicador ?

Los indicadores son colorantes orgánicos, que cambian de color según estén en presencia de una sustancia ácida, o básica.

Fabricación casera de un indicador

Las lombardas, parecidas a repollos y de color violeta,contienen en sus hojas un indicador que pertenece a un tipo de sustancias orgánicas denominadas antocianinas.
Para extraerlo :

• Corta unas hojas de lombarda (cuanto más oscuras mejor)
• Cuecelas en un recipiente con un poco de agua durante al menos 10 minutos
• Retira el recipiente del fuego y dejarlo enfriar
• Filtra el líquido (Se puede hacer con un trozo de tela vieja)
• Ya tienes el indicador (El líquido filtrado)

Las características del indicador obtenido son :

indicador extraido de la lombarda

color que adquiere	medio en el que está
rosa o rojo	ácido
azul oscuro	neutro
verde	básico

Test de respiración (para gastar una broma)

Dale a alguien un vaso que contiene un poco de agua con extracto de lombarda y unas gotas de amoniaco casero y pídele que sople a través de una pajita de refresco. Puedes presentarlo como un test de alcohol, mal aliento, etc. La disolución pasará de color verde esmeralda a azul oscuro. Si ahora le añades vinagre, la disolución adquirirá un color rojo.
Al soplar expulsamos dióxido de carbono (CO₂) que en contacto con el agua forma ácido carbónico (H₂CO₃). Este ácido formado, neutraliza el amoníaco que contiene la disolución. Al añadir vinagre la solución adquiere un pH ácido

Cómo generar lluvia ácida

Impregna una tira de papel de cocina en una disolución del extracto de lombarda. Acerca una cerilla inmediatamente después de encenderla. Se observa que aparece un punto rojo (ácido) en la tira de papel.

¿A qué se debe ? ¿Puede ser debido al dióxido de carbono (CO₂) generado en la combustión ? No, la disolución formada (ácido carbónico) no es suficientemente ácida como para producir el color rojo. (Se puede comprobar repitiendo el experimento pero dejando arder la cerilla un poco antes de acercarla al papel). La causa de la aparición del color rojo está en el dióxido de azufre (SO₂) que se forma cuando la cerilla se inflama. Esto se debe a la presencia de azufre(S) añadido, entre otros productos, a la cabeza de la cerilla, para favorecer la ignición.

El dióxido de azufre en contacto con el agua presente en la tira de papel forma ácido sulfuroso (H₂SO₃) que es más ácido que el ácido carbónico

.
En la combustión de algunos derivados del petroleo se produce dióxido de azufre que pasa a la atmósfera. Al llover y entrar en contacto con el agua, se forma el ácido sulfuroso , uno de los responsables de la lluvia ácida.

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