La Ley de Enfriamiento de Newton expresa que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la temperatura entre el cuerpo y sus alrededores. En el presente artículo, hablaremos sobre la Ley de Enfriamiento de Newton, una de las leyes fundamentales en el estudio de la Termodinámica. Comencemos repasando lo ya sabido hasta este momento:
La Ley de Enfriamiento de Newton recibe su nombre en honor a Sir Isaac Newton, científico inglés que la estudió, famoso por sus tres leyes del movimiento.
Los cuerpos calientes ceden su calor a los cuerpos que se encuentran a menor temperatura. Así, por ejemplo, un cuerpo que tiene una temperatura inicial de 50ºC, al cabo de un tiempo alcanzará la temperatura ambiental (por ejemplo, de unos 25ºC).
¿Pero la “caída” de temperatura de un cuerpo es constante a través del tiempo? Bueno, realmente no. De hecho, si un cuerpo en una hora ha bajado 10ºC, no significa que tendrá que bajar 20ºC en dos horas. ¿Entonces, cómo desciende realmente la temperatura? Es aquí donde debemos analizar la Ley de Enfriamiento de Newton estudiando de qué variables depende nuestro experimento.
Newton calentó una barra de hierro hasta llevarlo al rojo vivo. Después, colocó esa barra en un ambiente muy frío y registró el tiempo que tardaba el bloque en enfriarse. Con estos datos, estableció la ley que lleva su nombre, la cual nos dice que:
\( \frac{\Delta Q}{\Delta t}=h\cdot A \cdot \Delta T\)
¿Qué significa todo eso? Vamos por parte. \( \frac{\Delta Q}{\Delta t} \) designa la cantidad de calor cedido al medio en un determinado tiempo. h designa un valor constante, es decir, un número que depende del material. Se llama “coeficiente de convección”. En la figura 1, podemos encontrar algunos de ellos. h es el área. \( \Delta T \) es la diferencia de temperatura (es decir, temperatura final menos temperatura inicial).
Esta expresión, en otras palabras, describe la transferencia de energía que un cuerpo caliente cede al medio y es conocida como Ley de Enfriamiento de Newton.
En el Sistema Internacional, \(x \frac{\Delta Q}{\Delta t} \) se medirá en J/s. Esto es exactamente lo mismo que watt. Es decir, \( \frac{\Delta Q}{\Delta t} \) puede ser medido también en watts. Por otro lado, el coeficiente h (coeficiente de convección) es medido en J/(s.m².°C), o bien W/(m².K). El área será medida en m² y la temperatura en °C o K.
Veamos algunos coeficientes:
Medio
h
Convección libre en el aire.
5-25 W/(m².K)
Convección libre en agua.
500 – 1 000 W/(m².K)
Convección forzada en el aire.
10 – 500 W/(m².K)
Convección forzada en el agua.
100 – 15 000 W/(m².K)
Vapor condensado.
2 500 – 25 000 W/(m².K)
Agua hirviendo.
5 000 – 100 000 W/(m².K)
Ley de enfriamiento de Newton – Ensamble de Ideas, fácil de entender, fácil de aprender. – Copyright MMXXII
Es hora de analizar un concepto muy importante para la industria: la potencia eléctrica. La potencia eléctrica se define como el producto entre el voltaje y la intensidad de un circuito eléctrico. En otros términos, la potencia eléctrica es también la cantidad de energía disipada por unidad de tiempo.
Cálculo de potencia según el voltaje y la intensidad: Po = ΔV · I
Sí. Ya sabemos que es muy posible que hayas llegado a este artículo para resolver tus tareas de física y necesites un par de fórmulas que te ayuden a resolver complicados ejercicios. No te asustes, no todo es tan difícil como parece. Es por eso que nos metemos de lleno al estudio de estas ecuaciones matemáticas. ¡Veamos!
La primera definición dada de potencia eléctrica nos decía que:
\( Po=\Delta V\cdot I \) (Ecuación 1)
donde Po es la potencia buscada, ΔV es el voltaje[note]También llamado “diferencia de potencial” o “tensión eléctrica”[/note] e I es la intensidad del circuito.[note]La última definición presentada sale a partir de nociones muy básicas de energía que hablamos en otros artículos de nuestro portal. ¿Existirá una relación entre las cargas eléctricas de un circuito y la potencia eléctrica? ¡Por supuesto! Pero para poder entenderla mejor será necesario llegar al final de nuestro artículo.[/note]
Entonces, apliquemos un ejemplo concreto de la Ecuación 1.
1. ¿Cuál es la potencia eléctrica de un circuito que presenta una diferencia de potencial de 15 V y una intensidad de 2 amperios? Rta: Es muy sencilla la resolución.
Simplemente, utilicemos la Ecuación \( Po=\Delta V\cdot I \) :
\( Po=\Delta V\cdot I \)
\( Po=15V\cdot 2A \)
\( Po=30W \)
Recordemos que la potencia se mide en watts. Esta unidad (también llamada vatios, se simboliza con la letra W).
Cálculo de potencia según el voltaje y la intensidad: Po = I2 · R
Otra forma de calcular la potencia es aplicando la ecuación:
\( Po=I^{2}\cdot R \) (Ecuación 2)
…en donde Po es la potencia; I es la intensidad y R es la resistencia del circuito. Como vemos, esta ecuación establece una relación entre el amperaje del circuito y su resistencia. Comprenderemos mejor el tema aplicando un ejemplo:
2. ¿Cuál es la potencia de un circuito que presenta una intensidad de 3 A y una resistencia total de 43 ohmios? Rta: Para poder responder esta pregunta, simplemente utilizamos la ecuación 2: \( Po=I^{2}\cdot R \) . A continuación, reemplacemos los datos: \( Po=(3A)^{2}\cdot 43\Omega =387W \)
El conocimiento de las variables tratadas en este informe es fundamental para un buen estudio de los circuitos eléctricos.
se encuentran conectadas a una batería de 12 volt. Calculen la potencia a la que se disipa energía la resistencia. Rta: En este caso, debemos primero calcular la resistencia equivalente entre R1, R2 y R3. Si no recuerdas cómo hacerlo, te recomendamos leer el artículo al que accedes haciendo click aquí.
Como es un circuito en serie, la resistencia equivalente es igual a la suma de las tres resistencias: \( R_{eq}^{1,2}=R_1+R_2+R_3=10\Omega+20\Omega+30\Omega=60\Omega\) . Una vez calculada la resistencia equivalente, deberemos utilizar las ecuaciones indicadas en este artículo para hallar la potencia. No obstante, al observarlas, enseguida nos damos cuenta que no contamos con el valor de la intensidad del circuito, por lo que debemos hallarla primero. Para eso, apliquemos la ley de Ohm, la cual nos dice que:
\( \Delta V= I\cdot R \)
Como ΔV es 12 V y el valor de R es la resistencia equivalente que habíamos hallado antes, entonces podemos calcular el valor de I:
Ahora que tenemos la intensidad, utilizamos la Ecuación 1[note]\(Po=\Delta V\cdot I \) [/note] para hallar la potencia:
\( Po=\Delta V\cdot I=12V\cdot 0,2A=2,4W \)
¿Podríamos haber utilizado la Ecuación 2[note] \( Po=I^{2}\cdot R \) [/note]? ¡Claro! Porque contamos con todos los datos necesarios. ¿Y adivinen qué? El resultado de la potencia eléctrica será el mismo:
4. Una lamparita disipa energía a una potencia de 60W cuando está conectada a 220 V. Calculen su resistencia en esas condiciones y la corriente que circula por ella. Rta: En este caso, primero debemos hallar la intensidad del circuito utilizando la Ecuación 1[note] \( Po=\Delta V\cdot I \) [/note]:
Ésta es, justamente, la corriente que circula por la lamparita que se pide en el enunciado. Una vez hallada la intensidad, aplicamos la ley de Ohm para hallar la resistencia:
5. Si se conectan dos resistencias (una de 20 ohmios y la otra de 30 ohmios) a una bateria de 12V, ¿en qué caso disipará más calor: si están conectadas en serie o en paralelo? Rta: Para este caso, debemos separar en dos partes el ejercicio. Primero, realizarlo como si fuera un circuito en serie. Por otro lado, realizarlo como si fuera un circuito en paralelo. ¡Comencemos!
a) Si el circuito está en serie, la resistencia equivalente entre R1 y R2 es la suma de ambas resistencias; es decir, \( R_{eq}^{1,2}=R_1+R_2=20\Omega+30\Omega+30\Omega=50\Omega \) . Una vez calculada, aplicamos Ley de Ohm para obtener el valor de la intensidad:
Ahora, simplemente hallemos la potencia eléctrica:
\( Po=\Delta V\cdot I=12V\cdot 1A=12W \)
Como vemos, en el circuito en serie, la potencia eléctrica es 2,88W; en el circuito en paralelo, la potencia eléctrica es 12W. Esto significa que, en el circuito en paralelo, se disipará más calor.
Más información
El portal educ.ar presenta un interesante video de Oficios que te enseña cómo calcular la potencia eléctrica y el uso de multímetros para obtener valores relacionados con las variables de Ohm. Te dejamos la primera parte para que te sea útil en tu casa o en tus proyectos personales.
En este artículo analizaremos en profundidad la ley de Coulomb, que nos permite averiguar el valor numérico que adquiere la fuerza electrostática cuando dos cargas eléctricas están interactuando. En todos estos casos, calcularemos sólo la intensidad de la fuerza electrostática. Si llegaste a nosotros, seguro estarás intentando entender el tema y no sólo encontrar lo que puedes hallar en cualquier libro de física. Por eso, déjanos decirte que desde ensambledeideas.com , sabemos que puede ser un tema muy aburrido, pero intentaremos explicártelo de la manera más efectiva e interesante con el fin de que comprendas el tema.
Ante todo, veamos qué es esto de la fuerza electrostática. ¿Nunca intentaste realizar la típica experiencia de frotarte el pelo con una regla y, luego, intentar levantar pequeños papelitos, como se muestra en las imágenes? Podés leer algo al respecto en el artículo sobre electrización.
Una regla cargada previamente atrae los minúsculos papelitos que se encontraban con carga neutra total.
La fuerza electrostática es la que permite que los papelitos sean levantados por la regla, pues entre todas las cargas eléctricas aparece una fuerza atractiva o repulsiva que depende del signo de las cargas. Seguramente, esto te suena conocido porque tus profesores te han dicho que:
Dos cargas de signos opuestos se atraen.
Dos cargas de igual signo se repelen.
Historia de la Ley de Coulomb
Aquí vemos que entre dos cargas eléctricas SIEMPRE existen fuerzas electrostáticas que tienden a juntarlas (como el caso A) o a separarlas (como el caso B). ¿Podremos calcular numéricamente cuánto valen esas fuerzas? Sí. Y es algo bastante sencillo, pero antes veamos un poco la historia de los avances que se realizaron en el estudio de estas fuerzas electrostáticas:
En 1758, el físico Alessandro Volta fue uno de los primeros en estudiar y en poner en práctica la relación entre la fuerza electrostática y la distancia.
El inglés Joseph Prietsley propuso, en 1766, que la fuerza eléctrica disminuye con el cuadrado de la distancia.
Algunos años más tarde, fue Henry Cavendish indicó que las fuerzas no sólo dependen de la distancia, sino también de las cargas eléctricas.
En 1788, fue Charles Coulomb el que divulgó un modelo matemático que permitiera cuantificar la fuerza eléctrica (y, de hecho, logró medirla mediante una balanza ideada por él).
Charles Coulomb (1736-1806)
Veamos qué fue lo que engrandeció a Sr. Coulomb a lo largo de la historia:
¡Atención! ¡ALERTA DE TRABALENGUAS CIENTÍFICO! Siga leyendo bajo su responsabilidad.
La intensidad de la fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
Charles Coulomb (1736-1806)
¡Espera! ¡¿Qué?! ¡Un poco más despacio, por favor!
Lo que nos está diciendo Coulomb es que la fuerza electrostática -ésa que dijimos que hacía levantar los pequeños papeles cortados cuando los acercábamos a una regla previamente cargada- no es siempre la misma para cualquier caso (¡obviamente!) sino que va a depender de varios factores. Esos factores son: las cargas eléctricas involucradas y la distancia que las separa. (¿Un poco más claro, verdad?). Veamos ahora esta frase en términos matemáticos (¡un poquito más de esfuerzo!):
¿Qué nos dice la Ley de Coulomb?
La Ley de Coulomb nos queda, entonces, expresada como:
\( F_e=k\cdot \frac{q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}\)
donde F es la Fuerza Electrostática, q representa a las cargas y r la distancia que separa a las cargas. Falta algo muy importante para terminar de explicar este tema: ¿quién es k? Muy simple, k es una cosntante llamada constante de la Ley de Coulomb y es igual a: \( k=9\cdot 10^{9} \frac{N\cdot m^{2}}{C^{2}}\). Este valor NO CAMBIA nunca. Es el mismo siempre, sea cual sea el ejercicio que estés realizando, ¿entendido? Es decir, cada vez que veas k en un ejercicio, deberás reemplazarlo por ese valor.
¡Animémosnos ahora a hacer algunos ejercicios aplicando esta maravillosa ley!
En todos los casos, usa el valor de: \( k=9\cdot 10^{9} \frac{N\cdot m^{2}}{C^{2}}\)
Ejemplos de Ley de Coulomb paso por paso
Ejemplo 1 de Aplicación de Ley de Coulomb (para 2 cargas)
Un sistema está formado por dos cargas que se atraen, separadas entre sí por 0,3 m. Si los valores de las cargas son: \( q_{1}=2\cdot 10^{-6}C\) y \( q_{2}=1,6\cdot 10^{-7}C\) ¿Cuánto vale la fuerza electrostática \( F\)?
Ejemplo 2 de Aplicación de Ley de Coulomb (para 3 cargas en triángulo rectángulo)
Un sistema está formado por tres cargas eléctricas, dispuestas en un triángulo rectángulo como muestra la figura 1, separadas entre sí por distintas distancias exhibidas en el esquema. Si los valores de las cargas son: \( q_{1}=2\cdot 10^{-6}C\) , \( q_{2}=2\cdot 10^{-6}C\) y \( q_{3}=2\cdot 10^{-6}C\) ¿cuánto vale la fuerza electrostática neta F sobre la carga q1?
Fig. 1: Disposición de tres cargas en forma de triángulo rectángulo.
Vamos paso por paso:
Primero, identifiquemos que el ejercicio nos proporcione la distancias que hay entre la carga sobre la cual estamos analizando la fuerza neta (en este caso q1) y las otras dos cargas (q2 y q3). Como vemos, ya contamos con todas estas distancias. También tenemos los valores de todas las cargas, como corresponde.
Segundo, debemos calcular las fuerzas eléctricas que se experimentan entre q1 y q2 y entre q1 y q3. Recordemos que necesitamos la fuerza neta sobre q1, por lo que la fuerza eléctrica entre q2 y q3 no es importante para la resolución de este ejercicio.
Para poder hacerlo, usamos la Ley de Coulomb para obtener la fuerza eléctrica entre q1 y q2 utilizando los datos proporcionados.
Por último, aplicamos Pitágoras para evaluar el valor de la fuerza eléctrica.
¿Por qué tenemos que realizar Pitágoras para hallar la fuerza eléctrica resultante? Si te interesa saberlo, no dudes en expandir esta sección para que te demostremos por qué. [expand] Sucede que la fuerza eléctrica entre la primera y la segunda carga es un vector que tiene dirección horizontal, sentido hacia la izquierda. Por otro lado, el vector de fuerza eléctrica entre la primera y tercera carga tiene dirección vertical y sentido hacia la derecha.
Aplicando lo aprendido en “¿Cómo sumar fuerzas concurrentes?”, sabemos que para hallar el vector resultante de ambas fuerzas eléctricas debemos pensar que dicho vector es la hipotenusa de un triángulo rectángulo cuyos catetos son, justamente, las fuerzas eléctricas calculadas previamente. [/expand]
Sabiendo que \(F_{e_{q_{1},q_{2}}}=40N\) y que \(F_{e_{q_{1},q_{3}}}=22,5N\), planteamos Pitágoras:
Dos cargas de igual magnitud (unos 3,4C) están separadas entre sí por 4,4m. ¿Cuál es la fuerza eléctrica experimentada por cada carga? Conoce la respuesta expandiendo aquí. [expand] Rta: \( 5,3\cdot 10^{9}N\) [/expand]
Una carga de 2.10² C y otra carga de 2,6.10³C están separadas por una distancia desconocida. Si la fuerza que experimentan es de 3,6.10³ N, ¿cuál es esa distancia? Conoce la respuesta expandiendo aquí. [expand] Rta: \( 1,14\cdot 10^{6}N\) [/expand]
Las cargas \( q_{2}=2\cdot 10^{-6}C\) y \( q_{3}=2\cdot 10^{-6}C\) de la Figura 2 se encuentran separadas ahora por una distancia de 0,8m cada una respecto de \( q_{1}=2\cdot 10^{-6}C\). ¿Cuál será la fuerza eléctrica total neta sobre \(q_{1}\) en esta situación? Conoce la respuesta expandiendo aquí. [expand] Rta: \( 7,9N\) [/expand]
La primera hipótesis sobre la naturaleza de la luz la formuló Isaac Newton[note]Isaac Newton, de nacionalidad inglesa, nació en 1642 y falleció en 1727[/note] a fines del siglo XVII.
Si bien no descartó las posibilidades de que la luz sea de naturaleza corpuscular u ondulatoria, es decir que esté formada por partículas u ondas, respectivamente, sus investigaciones le hicieron pensar que la luz estaba formada por pequeñísimas partículas que provienen del cuerpo luminoso.
Es así como nació la teoría corpuscular. Esta teoría sería retomada por Albert Einstein[note]Albert Einstein, físico alemán (1879-1955)[/note] en 1905, que explicaba un curioso efecto descubierto por Heinrich Hertz[note]Heinrich Hertz, físico alemán (1857-1894)[/note], según el cual cuando un cuerpo cargado de electricidad era iluminado, se desprendían de él electrones y podía conducir la electricidad.
Albert Einstein, físico alemán (1879-1955).
Este fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, no podía ser explicado si no se admitía que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos sin masa llamados fotones.
Evidentemente, existieron científicos que apoyaron la idea de que la luz tenía una naturaleza ondulatoria, como Christian Huygens (1629-1677), que vivió en la misma época de Newton, que se opuso a la teoría corpuscular, afirmando que la luz se transmitía por medio de ondas de modo semejante al sonido.
Según Huygens, la velocidad de la luz es menor al penetrar un medio más denso, porque el frente de ondas encontraría mayor dificultad para avanzar, lo que es contrario a lo que postulaba la teoría corpuscular. En experimentos posteriores, se comprobaría lo que había dicho Huygens.
Entonces, ¿la luz es una onda o una partícula? Actualmente, los científicos están de acuerdo en aceptar que la luz actúa como onda y como partícula a la vez.
Algunos experimentos pueden ser explicados asumiendo que la luz es una onda, mientras que otras experiencias pueden ser explicadas pensando a la luz como una partícula. ¡Asombroso!
En este artículo, hablaremos sobre la electrostática y los dos tipos de electrización que existen: la electrización por fricción o frotamiento y la electrización por inducción, lo que nos permite explicar temas tan interesantes como los rayos. Anímate a continuar leyendo y a entender estos geniales conceptos de la física.
Electrostática
La electrostática es la parte de la física que estudia las cargas eléctricas en equilibrio o reposo. Cerca del año 600 a.C., los griegos ya se habían dado cuenta de que cuando se frota un trozo de ámbar (una piedra) con un trozo de lana, el ámbar atraía pequeños trozos de papel. El nombre que recibía el ámbar en la antigua Grecia era “electrón”, por lo que nombraron así a la atracción que experimentaban.
Esto demuestra que la electrostática (o electricidad estática) era bien conocida desde hace muchísimos años, pero el conocimiento quedó estancado durante casi dos mil años, pues recién en el Siglo XVIII los fenómenos relacionados con la electricidad y la electrostática comenzaron a estudiarse, en especial por Benjamin Franklin y otros sujetos.
Electrización por fricción
Cuando muchos átomos de un objeto ganan o pierden electrones (partículas negativas que orbitan alrededor del núcleo atómico), el objeto queda cargado eléctricamente.
Por ejemplo, si un objeto gana electrones, el mismo quedará cargado negativamente. Caso contrario ocurrirá si el objeto pierde electrones: el mismo quedará cargado positivamente (debido a que habrá mayor cantidad de protones que de electrones).
Lo que ocurría en la experiencia del ámbar y el trozo de lana es que, al frotar uno con otro, se produce una transferencia de electrones entre ellos. A esta transferencia de electrones desde un objeto a otro por frotamiento se llama electrización por fricción.
Los materiales que al frotarlos se cargan negativamente se clasifican como plásticos y los que se cargan positivamente se clasifican como vítreos.
Electrización por inducción
Existen otros tipos de electrización, como la electrización por inducción, según la cual ocurre un proceso muy interesante. Al acercar una varilla previamente cargada (con carga negativa) a una esfera de metal neutra, las cargas de dicha esfera se redistribuyen. Así, las cargas negativas de la esfera se “alejan” lo más posible de la varilla (puesto que dos cargas iguales tienden a alejarse unas de otras).
Otro ejemplo sucede en el típico experimento en el que una regla de plástico es frotada contra el cabello de una persona y se carga eléctricamente. Luego, se acerca dicha regla a pedacitos de papel y estos se ven atraídos hacia la regla. Unos segundos más tarde, los papelitos se despegan pues disminuye la fuerza electrostática al pasar las cargas eléctricas de la regla a los papelitos.
Electrización por inducción.
El electroscopio
El electroscopio es un aparato que se utiliza para poner en evidencia las cargas eléctricas. Este aparato consiste en una varilla metálica que termina en su parte superior en una esfera de metal y cuyo extremo inferior está unido a dos láminas de oro (o aluminio) sumamente finas.
Estas láminas están contenidas en una botella de vidrio herméticamente cerrada. Si la esfera del electroscopio se pone en contacto con una varilla de vidrio cargada, se verá que las láminas de metal se separan.
Este efecto es producto de que las cargas de la barra de vidrio han pasado a través de la varilla hacia las láminas y generan repulsión entre ellas.
Electroscopio de laboratorio escolar.
Los rayos
Completa:
En la formación de rayos, ocurren fenómenos de electrización. En particular, entre las nubes ocurre una electrización por fricción debido a que las nubes rozan entre sí. Consecuentemente, las nubes se cargan con carga negativa. En el suelo, originalmente el piso se encontraba neutro.
Sin embargo, ocurre una electrización por inducción debido a que el cielo presenta carga negativa. Esto hace que las cargas negativas del suelo se alejen de las nubes por presentar misma carga eléctrica. Las cargas positivas de la tierra quedan acumuladas tanto en la parte superior del suelo como en las partes más altas, por ejemplo edificios o árboles.
Es por ello que, ahora, se genera un rayo debido a que las cargas eléctricas se sienten atraídas entre sí.
Formación de rayos.
¡Experimentemos con la electrización!
Un sencillo experimento nos muestra que la electrización puede ser mágica. Es hora de ¡doblar las aguas! No es lo mismo que separar las aguas, pero puede llegar a asombrar a los más pequeños. Utilicemos conceptos de electrostática para poder entenderlo. ¡Comencemos!
Hipótesis:
La trayectoria de un chorro de agua de carácter laminar se verá afectado por la presencia de cargas eléctricas cercanas.
Introducción
La molécula de agua presenta uniones químicas covalentes, debida a la diferente electronegatividad que tienen los átomos de hidrógeno y oxígeno que la componen. Las moléculas de agua no son simétricas. Si bien las moléculas de agua son neutras, debido a que las cargas no están distribuidas uniformemente, se presenta la particular asimetría. Sus átomos (dos hidrógenos y un oxígeno) están dispuestas de una manera específica en el espacio, tal como muestra la figura 1, haciendo que presente una pronunciada polaridad. En un campo eléctrico, las moléculas tienden a orientarse en el espacio dependiendo de las cargas. Cuando dos cargas opuestas se aproximan, se atraen.
Fig. 1:Modelo de una molécula de agua, donde se evidencia la polaridad de la misma.
Materiales:
Una canilla con agua corriente.
Una regla de plástico.
Paño de seda.
Procedimiento y Resultados:
Electrizar por frotamiento (contra el cabello o un paño de seda) una regla de plástico, haciéndola frotar varias veces.
Abrir la canilla de agua corriente hasta que salga un chorro de carácter laminar (es decir, que no sea turbulento).
Acercar la regla cargada negativamente por electrización al chorro de agua laminar y observar lo que sucede.
Conclusión
La hipótesis es cierta: el chorro de agua laminar se inclina levemente hacia la regla. Esto sucede debido a que existe una atracción electrostática entre las moléculas de agua y los electrones de la regla cargada negativamente por electrización, lo que hace que se modifique la trayectoria del agua. Cuando se acerca un objeto cargado al chorro de agua, las moléculas (claramente polares) se orientan y el objeto cargado negativamente atrae al extremo de las moléculas de agua que tienen signo contrario. Esto resulta en que el chorro se desvíe.
¡Parece magia!
Si te gustó nuestro experimento de electrización, compártelo. Visita nuestro canal de YouTube, allí encontrarás cientos de tutoriales que te sorprenderán sobre estos temas.
En un experimento científico, ya sea de física, de química u otra disciplina de las ciencias naturales, es muy común tener que realizar mediciones y, con ellas, establecer múltiples operaciones que lleven a diversas conclusiones. De esta manera, es importante reconocer cuáles son los factores que producen o afectan un fenómeno que estamos estudiando.
Una variable es todo aspecto susceptible de modificar su valor en un experimento.
Muchos fenómenos estudiados durante una experiencia dependen de diversas variables, que son necesarias para obtener resultados correctos en el laboratorio. Estas son esos factores importantes que debemos tener en cuenta a la hora de la experimentación y se definen como aquellos datos que pueden cambiar de valor en el curso de una experiencia. Es necesario prestar atención a todas las posibles variables que aparezcan en un experimento.
Consiguientemente, se deben eliminar aquéllas variables que no afecten significativamente al resultado o que importen muy poco (a manera de ejemplo, podemos citar la variable “edad del experimentador”: esta variables es insignificante para el estudio del valor de la gravedad terrestre en un sitio determinado, pero es significativa para estudiar la incidencia de una enfermedad endémica en dicho sitio). Llegado el momento, se deberá modificar cada una de las variables del experimento para estudiar el fenómeno.
Existen tres tipos de variables que a continuación detallaremos:
Los tipos de variables
En la investigación científica, las variables se utilizan para describir y medir los diferentes factores que pueden influir en el resultado de un experimento. Hay tres tipos principales de variables: independientes, dependientes y controladas. Cada una de estas variables desempeña un papel único en el proceso científico y ayuda a los investigadores a extraer conclusiones válidas de sus experimentos. En este artículo, exploraremos estos tres tipos de variables y proporcionaremos ejemplos de cómo se utilizan en la investigación científica.
Variables Independientes
Las variables independientes son aquellas variables que el investigador manipula o cambia deliberadamente en un experimento. Estas variables son elegidas por el investigador para probar su hipótesis y ver cómo afectan a la variable dependiente. Por ejemplo, en un experimento que prueba los efectos de la cafeína en la alerta, la variable independiente es la cantidad de cafeína consumida por los participantes. El investigador puede variar la cantidad de cafeína para ver cómo afecta a la alerta, que es la variable dependiente.
Otro ejemplo de una variable independiente es la edad de los participantes en un estudio. Los investigadores pueden querer investigar cómo la edad afecta a la función cognitiva, por lo que seleccionan deliberadamente a participantes de diferentes grupos de edad y comparan su rendimiento en tareas cognitivas. En este caso, la edad es la variable independiente.
Variables Dependientes
Las variables dependientes son las variables que se miden u observan en un experimento. Se llaman “dependientes” porque sus valores dependen de la variable independiente. En nuestro ejemplo de los efectos de la cafeína en la alerta, la alerta es la variable dependiente. Es la variable que se ve afectada por la cantidad de cafeína consumida por los participantes. El investigador mide la alerta para determinar el efecto de la cafeína en ella.
Otro ejemplo de una variable dependiente es la cantidad de pérdida de peso en un programa de pérdida de peso. Los investigadores pueden querer probar la eficacia de una dieta o programa de ejercicio en particular, por lo que miden la cantidad de peso perdido por los participantes que siguen el programa. En este caso, la cantidad de peso perdido es la variable dependiente.
Variables Controladas
Las variables controladas son las variables que se mantienen constantes en un experimento. Se utilizan para garantizar que cualquier cambio en la variable dependiente se deba a cambios en la variable independiente y no a otros factores. Por ejemplo, en un experimento que prueba los efectos de la cafeína en la alerta, la temperatura en la habitación podría ser una variable controlada. El investigador mantendría la temperatura constante durante todo el experimento para garantizar que no afecte a la alerta.
Otro ejemplo de una variable controlada es el tipo de instrumento de medición utilizado en un experimento. Los investigadores pueden querer investigar el efecto de un tratamiento particular en la presión arterial, por lo que utilizan el mismo tipo de manguito de presión arterial para medir la presión arterial de todos los participantes. Esto asegura que cualquier cambio en la presión arterial se deba al tratamiento y no a diferencias en el instrumento de medición.
Hemos visto en otros artículos sobre las leyes de Newton que, cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo, la aceleración (es decir, el cambio de velocidad respecto del tiempo) dependerá del sentido de la fuerza. No debemos dejar de lado que también depende de las características del cuerpo que sufre el cambio.
Fig. 1: No es lo mismo patear , con la misma fuerza, una pelota de papel que una pelota de cuero. Es evidente que la aceleración que experimentarán ambos cuerpos es muy diferente.
El Experimento de Mach explicado
Fue el físico y filósofo austríaco Ernst Mach (1838-1916) quien logró dar una explicación -en base a sus experimentos- sobre por qué los cuerpos reaccionan de forma diferente ante la misma fuerza, dependiendo de sus características. ¿Y cómo lo hizo? Mach colocó dos masas diferentes (en el esquema de la figura 2, están representadas con las bolas A y B) unidas por un resorte. Luego, alejó los cuerpos uno de otro. Al soltarlos, se dio cuenta que, sin importar que la fuerza experimentada por las bolas era la misma (la que llamamos fuerza elástica), uno de los cuerpos sufría una aceleración mayor que la del otro.
Mach se dio cuenta que en su experimento no importaba la distancia con la que separaba las bolas. En todos los caso, la aceleración sufrida por el cuerpo de menor masa era mayor. Asimismo, la aceleración sufrida por el cuerpo de mayor masa era menor.
La relación entre las aceleraciones era siempre la misma: a mayor masa de los cuerpos, menor era su aceleración. Llamó masa inercial esa característica que los diferenciaba.
Fig.2: Experimento de Mach.
Su experimento continuó un poco más: colocó un tercer cuerpo en interacción con el primero, observando siempre la diferencia de aceleraciones entre un cuerpo y el otro. Hizo lo mismo con un cuarto cuerpo y con un quinto. En todos los casos, calculó la relación entre la masa inercial del cuerpo A respecto de los otros que iba colocando. Fue así que definió “1 kilogramo” como masa patrón.
Como conclusión, podemos decir que Mach se dio cuenta que la masa es un valor característico de cada cuerpo y es la responsable de que los cuerpos se aceleren de forma diferente ante la misma fuerza aplicada sobre ellos. Obviamente, si ambos cuerpos presentan la misma masa, su aceleración será la misma cuando se les aplique la misma fuerza.
Matemáticamente, podríamos expresar esto como:
\( m_a\cdot a_a=m_b\cdot a_b\)
Esto significa que el producto de la masa por la aceleración vale siempre lo mismo para ambos cuerpos cuando la fuerza aplicada sobre ellos es la misma.
Actividades:
Si se aplica una fuerza de 43 N a un cuerpo de 3 kg y luego se aplica la misma fuerza a un cuerpo de 5 kg, ¿cuál de los dos alcanzará una mayor velocidad al cabo de 10 segundos?
¿Cuál es la evidente relación entre el experimento de Mach y la segunda ley de Newton? Te sugerimos darle un vistazo a nuestro artículo sobre Leyes de Newton.
¿Han notado que, a veces, dentro de los fluidos se forman vórtices que aumentan la resistencia al movimiento y hacen que el fluido presente características turbulentas? Es sencillo identificar si las líneas de flujo de un fluido siguen un régimen laminar o un régimen turbulento. ¿Régimen laminar? ¿Régimen turbulento? ¿Qué es eso?
Veamos uno por uno:
Régimen laminar
En el caso de un líquido viscoso que fluye por un conductor, las diferentes capas (llamadas láminas) se desplazan a diferente velocidad. La capa externa del líquido se une a las paredes del tubo ejerciendo un arrastre sobre su capa siguiente (más interna) y ésta a su vez sobre la siguiente (aún más interna), de tal manera que la rapidez es máxima en el centro del tubo y se reduce cada vez más hasta llegar a ser velocidad nula en las paredes. Cuando sucede esto, estamos en presencia de un régimen laminar.
Régimen laminar en tuberías.
En otras palabras, el régimen laminar es un movimiento muy organizado y suave del fluido, en el que todas las partículas se mueven en capas paralelas, sin mezclarse entre sí. Es como si el fluido se moviera en tubos rectos y uniformes. Este tipo de movimiento se presenta cuando la velocidad del fluido es baja y las partículas se mueven en una dirección constante.
Régimen turbulento
En cambio, cuando en el interior del fluido se producen corrientes circulares, locales y al azar (las cuales se denominan vórtices) que van aumentando la resistencia al movimiento, estamos en presencia de un régimen turbulento.
Tubería con régimen turbulento.
Dicho de otro modo, el régimen turbulento es un movimiento caótico y desordenado del fluido, en el que las partículas se mueven en todas las direcciones y se mezclan entre sí. Es como si el fluido fuera una masa en constante agitación. Este tipo de movimiento se presenta cuando la velocidad del fluido es alta y las partículas no se mueven en una dirección constante, sino que cambian de dirección continuamente.
¿Qué es la Mecánica de Fluidos?
La mecánica de fluidos es una rama de la física que estudia el comportamiento de líquidos y gases en movimiento o en reposo. Es esencial para comprender fenómenos naturales y aplicarse en la ingeniería de dispositivos como turbinas, aviones, cohetes, entre otros. Se enfoca en analizar la presión, densidad, viscosidad, velocidad, flujo y turbulencia de los fluidos.
Ahora que sabes qué significa régimen laminar y turbulento, estás en condiciones de predecir cuándo será uno u otro aplicando nociones matemáticas muy sencillas.
El número de Reynolds y su relación con los tipos de regímenes.
Para poder predecir el régimen laminar o régimen turbulento en una cañería, podemos calcular el llamado Número de Reynolds. En mecánica de fluidos, el Número de Reynolds es un valor adimensional, es decir, no tiene unidades. Este valor recibe el nombre de Reynolds porque fue Osborne Reynolds quien volvió popular en 1883 el concepto introducido por George Stokes en 1851 en su texto «On the Effect of the Internal Friction of Fluids on the Motion of Pendulums»([note]”Sobre el efecto de la fricción interna de los fluidos en el movimiento de los péndulos.”[/note]. Su utilidad se observa, sobre todo, en el campo de la biofísica al describir movimientos de diferentes cuerpos en un fluido.
Osborne Reynolds, científico británico nacido en Irlanda (23 de agosto de 1842 – 21 de febrero de 1912).
La cuenta que deberemos realizar para hallar el Número de Reynolds es:
Donde \(N_{R}\) es el Número de Reynolds, δ es la densidad del fluido, \(v\) es la velocidad del fluido, \(D\) es el díametro del tubo por el que circula el fluido y \(\eta\) es el valor de la viscosidad del fluido.
Las unidades en el Sistema Internacional son:
Para el Número de Reynolds, ninguna. Recordemos que es un valor adimensional.
Para la densidad, kg/m³.
Para la velocidad, m/s.
Para el diámetro del tubo, m.
Para la viscosidad, Pa.s (pascales por segundo).
¿Qué información nos brinda el número de Reynolds?
El número de Reynolds predice el comportamiento del flujo de un fluido en función de sus propiedades físicas y su velocidad relativa. Nos brinda información sobre la naturaleza del flujo, indicando si este es laminar o turbulento. También es útil para predecir la resistencia al flujo en diferentes condiciones y para diseñar y optimizar dispositivos que involucren fluidos, como tuberías, conductos, turbinas, etc. En general, el número de Reynolds es una herramienta importante para entender y analizar el comportamiento de los fluidos en diferentes sistemas.
Sucede que muchos experimentos han demostrado que el flujo es laminar cuando el Número de Reynolds es menor al valor 2000. En cambio, es turbulento si supera los 3000. Se puede decir que el régimen es inestables si el valor se encuentra entre 2000 y 3000, por lo que el fluido puede variar entre un tipo y otro de régimen durante el análisis de dicho fluido.
Ejemplo de cálculo de Número de Reynolds:
La rapidez media de la sangre en la aorta, cuyo diámetro es de 20mm, es de unos 0,3m/s. La viscosidad de la sangre es de aproximadamente 0,004 Pa.s y su densidad es de 1,05.10³ kg/m³. Determinar si el régimen es turbulento o no.
Esto significa que el régimen es laminar, por encontrarse por debajo de 2000.
2.
Supongamos que un líquido fluye a través de un tubo con un diámetro de 0.05 metros a una velocidad de 1 metro por segundo. La viscosidad cinemática del líquido es de 0.0001 metros cuadrados por segundo. Podemos calcular el número de Reynolds usando la fórmula:
\(N_{R} = \frac{\rho v D}{\mu}\)
Donde:
\(\rho\) es la densidad del líquido.
\(v\) es la velocidad del líquido.
\(D\) es el diámetro del tubo.
\(\mu\) es la viscosidad dinámica del líquido.
Primero, podemos calcular la densidad del líquido, suponiendo que es agua con una densidad de 1000 kg/m³.
En este caso, el número de Reynolds es de \(\mathrm{Re} \approx 5 \times 10^6\), lo que indica que el flujo es altamente turbulento.
Explicación en video
Actividades
Una tubería de 15 cm de diámetro transporta agua a una velocidad de 2 m/s. Si la viscosidad dinámica del agua es de 0,001 Pa·s y su densidad es de 1000 kg/m³, ¿cuál es el número de Reynolds? Rta: 300.000 es el Nro. de Reynolds, por lo que el régimen es turbulento.
Una esfera de 5 cm de diámetro se mueve a través del aire a una velocidad de 10 m/s. Si la densidad del aire es de 1,2 kg/m³ y su viscosidad dinámica es de 1.8e-5 Pa·s, ¿cuál es el número de Reynolds?Rta: 33 333,33, por lo que el régimen turbulento.
Un fluido con una densidad de 800 kg/m³ y una viscosidad dinámica de 5e-4 Pa·s fluye a través de una tubería de 50 mm de diámetro a una velocidad de 1 m/s. ¿Cuál es el número de Reynolds? Rta: 80 000 es el Nro. de Reynolds, por lo que el régimen es turbulento.
Un fluido fluye a través de una tubería de 8 mm de diámetro con una velocidad de 0.5 m/s. El número de Reynolds es de 3000 y la viscosidad dinámica es de 1,5e-3 Pa·s. ¿Cuál es la densidad del fluido? La densidad es de 1125 kg/m3.
Un aceite con una viscosidad dinámica de 0.02 Pa·s fluye a través de una tubería de 25 mm de diámetro a una velocidad de 0,5 m/s. Si la densidad del aceite es de 900 kg/m³, ¿cuál es el número de Reynolds? Rta: 562,5 es el número de Reynolds, por lo que el régimen es laminar.
Un gas fluye a través de una tubería de 8 cm de diámetro a una velocidad de 20 m/s. Si la viscosidad dinámica del gas es de 1.6e-5 Pa·s y su densidad es de 0,8 kg/m³, ¿cuál es el número de Reynolds? Rta: 80 000 es el Número de Reynolds, por lo que es un régimen turbulento.
Indicar si los regímenes de los ejercicios anteriores son laminares o turbulentos.
Para que un fluido se mueva, es necesario que exista una diferencia de presiones entre dos zonas del fluido. Podemos analizar algunas propiedades del fluido en movimiento que transita por una cañería. Entre ellas, tenemos al caudal, que se define como el cociente entre el volumen (V) del líquido que atraviesa el área de una sección transversal (que notamos como A) del conducto y el tiempo (Δt) que tarda en atravesarla. Matemáticamente,
\( C=\frac{V}{\Delta t}\) (Ec. 1)
¿En qué unidades se mide el caudal?
El caudal es una magnitud escalar que se mide (en unidades del Sistema Internacional) en m3/s. Muchas veces, también puede ser expresado en l/s y otras unidades similares. Veamos un ejemplo:
El caudal del río Paraná es 17.290 m3/s. La imagen exhibe la costa del río Paraná en la provincia argentina de Entre Ríos.
Relación entre el área de un conducto y la velocidad del fluido con el caudal
Puede definirse al caudal en términos del área de la sección transversal de un conducto (que notaremos como A) y la velocidad que presenta el fluido incompresible en estado estacionario (que notaremos como v). Cada partícula del fluido que lleva una cierta velocidad v, recorre una distancia Δx en determinado tiempo t. En ese intervalo de tiempo, el volumen de líquido que atraviesa la sección transversal es, justamente, \( A\cdot \Delta x\). Podemos “jugar” un poco con las fórmulas, reemplazando las igualdades. Con ello, nos queda:
Es muy común escuchar hablar de transformadores, ¿pero realmente sabemos lo que hacen? Cuando una corriente alterna circula por una bobina, que es un arrollamiento de alambre, el campo magnético generado se modifica permanentemente. Si se coloca otra bobina en el campo magnético generado por la primera bobina, la variación del campo magnético en ella induce una corriente alterna en la segunda bobina.
Transformador en la vía pública.
La primera bobina recibe el nombre de bobinado primario y, a la segunda, se la llama bobinado secundario. La tensión inducida en la segunda bobina será mayor que la tensión del bobinado primario siempre y cuando el número de vueltas (llamadas espiras) de la segunda bobina sea mayor a la cantidad de espiras de la primera bobina. Análogamente, si el bobinado secundario tiene menos espiras que el bobinado primario, la tensión en la segunda bobina será menor que la tensión en la primera bobina. Esta la idea en la que se basa el funcionamiento de cualquier transformador.
Esta sencilla relación puede expresarse como:
\( N_p / N_s=V_p/V_s\) (Ec. 1)
Donde\( N_p\) es el número de espiras del bobinado primario, \(latexN_s\) es el número de espiras del bobinado secundario, \(V_p\) es el voltaje (tensión eléctrica) del bobinado primario y \(V_s\) es el voltaje (tensión eléctrica) del bobinado secundario. Esta relación recibe el nombre de relación de transformación.
Hagamos un ejemplo práctico de su uso:
¿Cómo usar la relación de transformación?
Imaginemos que, en un transformador, el bobinado primario presenta 25 espiras. Si el voltaje presente en dicho bobinado es de 220V y el voltaje del segundo bobinado es de 12V, ¿cuántas espiras deberá tener la segunda bobina? Para esto, hagamos una lista de los datos con los que contamos:
\( N_p=32C\) \( N_s=?\) \( V_p=20V\) \( V_s=10V\)
Ahora, apliquemos la expresión de la relación de transformación:
\( N_p / N_s=V_p/V_s\) (Ec. 1)
Como no contamos con el valor de \( N_s\) , la despejamos de la Ec. 1 y obtenemos:
\( N_s=\frac{N_p\cdot V_s}{V_p}\)
Reemplazamos los datos con los que contamos:
\( N_s=\frac{32\cdot 10V}{20V}=16\)
…y así llegamos a la conclusión de que necesitamos 16 espiras en el segundo bobinado.
Curiosidades:
La patente de los primeros transformadores diseñados por los ingenieros húngaros fue adquirida por George Westinghouse poco después de ser desarrollados.
La relación de transformación fue descubierta por ingenieros húngaros en 1884 que habían diseñado transformadores basándose en las ideas del francés Lucien Gaulard y del inglés John Dixon Gibbs.
Un transformador no modifica la frecuencia f con la que cambia el sentido de la corriente.
Durante mucho tiempo se han instalado transformadores en la vía pública que contenían una sustancia tóxica para el ambiente, el PCB. Una ley nacional argentina intentó tomar cartas en el asunto. El titular de la ENRE (organismo argentino que controla a las compañías eléctricas) informó al respecto: “La legislación no prohíbe la instalación de transformadores con PCB. Pero existe una resolución del Ministerio de Trabajo (369/91) que dice que estas sustancias son tóxicas. Para minimizar los riesgos es necesario tomar recaudos y por eso se estableció la sustitución de los transformadores”. Te invitamos a leer sobre ello en la noticia publicada por el diario Clarín, disponible en https://www.clarin.com/sociedad/quedan-transformadores-sustancia-altamente-toxica_0_ByYMyjKeCFg.html
Actividades:
1. En un transformador, el bobinado primario presenta 45 espiras y un voltaje de 320 V. ¿Cuántas espiras deberá tener un segundo bobinado para obtener un voltaje de 120 V? 2. En un transformador, el bobinado primario presenta un voltaje de 30 V. ¿Cuál será el voltaje del segundo bobinado si el bobinado primario tiene 34 espiras y el segundo tiene 67 espiras? 3. Indica si la siguiente oración es veradera o falsa: “Si el número de espiras del bobinado secundario es 300 veces mayor que el número de espiras del bobinado primario, entonces el voltaje del segundo bobinado también será 300 veces mayor que la tensión en el primer bobinado”.
