Flotació i oscil·lacionsAquest
experiment ens pot ajudar a distraure els alumnes de l'ESO alhora que
els expliquem quatre coses sobre densitats i flotació. Si volem
anar una mica més enllà, podem analitzar les
oscil·lacions del flotador tot mesurant-ne el període i
interpretant els resultats amb els alumnes de batxillerat: això
els permetrà estudiar un moviment harmònic que no
té res a veure amb molles ni forces elàstiques.  
|
Guia del professorat
Material
- tres ampolles de plàstic grans d'1,5
L
- tres ous
- aigua, sal, alcohol i iode
- cronòmetre, balança electrònica i peu de rei
- tubs d'assaig petits, sorra i blu-tack
(o bé: llapis, fil de soldar i alicates)
Procediment
Primera part
La primera part consisteix a estudiar la flotació
d'un ou a l'aigua. Se sap que un ou fresc (no caducat) s'enfonsa a l'aigua
però sura en una dissolució prou concentrada de sal de cuina.
Es tracta de fer el següent:
1) Preparem tres recipients A,
B i C
(jo faig servir ampolles de gasosa tallades per la meitat)
2) Al recipient A
hi posem aigua, en B,
aigua amb una gran quantitat de sal, i al C
hi posem aigua amb sal a la meitat inferior i aigua de l'aixeta a
la meitat superior (hem d'anar amb compte per aconseguir que no es
mesclin gaire).
|
|
3) Posem un ou a cada recipient
i observem que al recipient A
l'ou s'enfonsa, al B
hi sura i al C
queda flotant entre la capa d'aigua salada i la d'aigua dolça.
4) Si mesurem la densitat de l'aigua salada obtindrem
un resultat al voltant d'1,1
g/cm3, segons la quantitat de sal. Per a la densitat
de l'ou obtindrem 1,05
- 1,06 g/cm3. Amb això podem parlar de flotació
als alumnes.
Segona part
Es tracta de provocar oscil·lacions a l'ou que flota entre dues aigües
1) Preparem dos recipients, A
i B. Al
recipient A
hi posem aigua amb sal a baix i aigua de l'aixeta a dalt. Al B
hi posarem aigua a baix i alcohol a dalt (podem tenyir-lo amb una
mica de iode). Cal anar amb compte perquè no es mesclin.
2) Agafem un ou i una xeringa de farmàcia.
Amb la xeringa fem un forat a cada extrem de l'ou i xuclem per extreure'n
un 13%
de la massa (ho comprovarem amb una balança electrònica)
Segellem tots dos foradets amb cera. Amb això hem preparat
un ou que té una densitat de 0,9
g/cm3
3) Al recipient A
hi posarem un ou normal i al recipient B,
l'ou de 0,9 g/cm3.
Tots dos quedaran flotant a la interfície entre ambdós
líquids.
4) Fem oscil·lar els ous i comprovem que fan un moviment
harmònic amortit i que l'ou B
oscil·la amb un període més curt que l'ou A.
El període de les oscil·lacions està relacionat
amb la diferència de densitats d'ambdós líquids.
|
|
Tercera part
Construïm flotadors cilíndrics per fer un
anàlisi numèric de les oscil·lacions. Els podem fer amb
tubs d'assaig, llapis, taps de retolador...
1) Agafem un llapis i en tallem
un tros d'uns 10
cm. Fem punxa als dos extrems. Convé segellar la fusta
amb cola perquè no absorbeixi aigua.
2) Mesurem el llapis i en calculem el volum.
3) El pesem amb la balança.
4) Calculem la massa necessària per obtenir
la densitat que volem aconseguir. Amb això, determinem la massa
que falta al llapis.
5) Agafem fil de soldar i en tallem la longitud necessària.
Enrotllem el fil en un dels extrems del llapis. Ja tenim el flotador.
6) També va molt bé un tub d'assaig
dels més petits (10
mm) amb llast de sorra i tapat amb blu-tack.
|
|
Modelització de les oscil·lacions
Imaginem un flotador submergit entre dos líquids
que tenen les densitats d1
i d2.
Quan està en equilibri, l'empenyiment del líquid és
igual al pes. Quan es desplaça avall una distància x,
l'empenyiment augmenta una quantitat proporcional a x.
Si no considerem la fricció amb el líquid, la força
resultant és proporcional a x.
Això dóna lloc a un moviment harmònic.
La força de fricció amb els líquids fa que aquest
moviment harmònic sigui amortit:
|
|
Experimentació
Jo cronometrava cinc sèries de tres oscil·lacions i en feia la mitjana.
En el meu cas el flotador consistia en un llapis de 48,2
mm de cilindre, 79,8
mm de longitud total i 7,6
mm de diàmetre.
Això dóna una secció de 45,4
mm2 i un volum de 2,67
cm3.
També vaig utilitzar un tub d'assaig petit, de 9,48
mm de diàmetre, amb llast de sorra i tapat amb blu-tack. El
volum era de 7,06 cm3.
Els resultats obtinguts van ser els següents:
a) Aigua / aigua amb sal ( )
Flotador: llapis 
|
|
El moviment real és harmònic amortit, que té
un període lleugerament superior al del moviment harmònic simple
(MHS). Per tant, la discrepància entre el valor teòric i l'experimental
és força raonable.
b) Aigua /alcohol ( )
c) Aigua amb sal /alcohol ( )
L'anàlisi detalladat del moviment harmònic amortit
queda més enllà dels estudis de batxillerat, però, considerant
que el flotador fa més de tres oscil·lacions completes observables, la
força d'amortiment no allarga el període de les oscil·lacions
lliures més enllà d'un 10%.
| Inici |
|
|
| ISSN:
1988-7930 Adreça a la xarxa:
www.RRFisica.cat Adreça electrònica:
redaccio@rrfisica.cat
difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi
Casellas, Xavier Jaén, Gemma Montanyà, Cristina Periago,
Octavi Plana, Jaume Pont i Ramon Sala.
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física,
Associació de Professores i Professors de Física i Química
de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat
de Barcelona
|
   
Programació web: Xavier Jaén i Daniel Zaragoza.
Correcció lingüística: Serveis Linguïstics
de la Universitat Politècnica de Catalunya. |
Aquesta
obra està subjecta a una
Llicència
de Creative Commons
|
|
Recursos
de Física col·labora amb la
baldufa i també amb ciències
Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària
(Edita: CRECIM-UAB)
|
|
|
8/10 
