lunes, 29 de febrero de 2016

MONTAÑA RUSA DE NEWTON

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Se agradece de manera especial, el compartir su proyecto, a los estudiantes:

§  CHAVEZ FALLA BRYAN
§  CHAPOÑAN LOPEZ PERCY
§  ESPINOZA ZAPATA RAUL
§  RODRIGUEZ ROSAS SHEYNY



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MONTAÑA RUSA DE NEWTON

OBJETIVOS


Construir la Montaña Rusa de Newton.

 Analizar y comprender los conceptos físicos que involucran en este proyecto. 



FUNDAMENTO TEÓRICO



  LA PRIMERA LEY DE NEWTON, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).
  LA SEGUNDA LEY DE NEWTON, se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m·a   
F = fuerza                   m= masa                a= aceleración

·     La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,

1 N = 1 Kg · 1 m/s2

   LA TERCERA LEY, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
   Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tengan el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre sí, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.

  ENERGÍA CINÉTICA, de un objeto puntual (un cuerpo tan pequeño que su dimensión puede ser ignorada), o en un sólido rígido que no rote, está dada en la ecuación:

     donde "m" es la masa y "v" es la velocidad del cuerpo. Se considera la consecuencia de la acción de una fuerza, porque cuando una fuerza externa actúa sobre una partícula o un sistema de partículas en equilibrio produce un cambio en la energía cinética.

   ENERGIA DE CONSERVACION, las cuales las montañas rusas utilizan solo un motor en el inicio de su recorrido: para poder llegar hasta la altura indicada para luego iniciar la aventura. Luego, no se utiliza ningún mecanismo mecánico para ayudar a completar la trayectoria. Esto se debe a que el principio del funcionamiento de las montañas rusas se basa en la ley de la conservación de la energía.

  ENERGÍA POTENCIAL, es una energía que resulta de la posición o configuración del objeto. Un objeto puede tener la capacidad para realizar trabajo como consecuencia de su posición en un campo gravitacional (energía potencial gravitacional), un campo eléctrico (energía potencial eléctrica), o un campo magnético (energía potencial magnética). Puede tener energía potencial elástica como resultado de un muelle estirado u otra deformación elástica.















MATERIALES

       


















































PROCEDIMIENTO:

ü  Colocamos 3 listones para dar rigidez y base a nuestra montaña rusa.


ü  Introducimos el alambre dentro de la manguera.


üPerforamos la manguera con el alambre para colocarle unas "pequeñas estabilidades" como también unos pequeñas perforaciones a nuestros listones para darle rigidez.




ü  Amoldamos a nuestra estructura de alambre dándole la forma de un camino.


ü  Moldeamos el alambre para darle la trayectoria de curvas para que la bolita de su recorrido.


ü  Fabricamos un ascensor miniatura de accionamiento manual para que la bolita de inicio a su recorrido desde la parte más alta de la montaña.

ü  Hacemos las respectivas pruebas de tiempo, velocidades y aceleración para obtener nuestros datos experimentales.
 
Maqueta concluida de la Montaña Rusa de Newton

EXPERIMENTO:
El experimento consiste en dejar caer una bolita de avero por el recorrido inclinado similar al de las montañas rusas para demostrar los temas empleados en el punto más alto y en su punto de inicio es la que la hace independiente de un ascensor manual para poder funcionar, gracias a la variación de velocidad y a la energía potencial.

A continuación el vídeo del proyecto:



domingo, 27 de diciembre de 2015

Construcción: Bobina de Tesla


Se agradece el aporte del trabajo presentado, a los estudiantes de Pregrado:

  • Pelaez Diaz Claudia
  • Santos Carrion Jose
  • Vergaray Tafur Nills
  • LLempen Berna Italo



Informe del Proyecto

Bobina de Tesla by Elvis Hermes



Diapositivas: Bobina de Tesla

lunes, 14 de septiembre de 2015

GENERADOR VAN DE GRAFF

I.          PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A)   Problema:
¿De qué manera se podrá construir un simple generador de Van de Graff, utilizando materiales sencillos y reciclados? 

II.        MARCO TEÓRICO

La energía estática
La energía estática o electrostática estudia los cambios producidos por la distribución de cargas eléctricas diferentes y el equilibrio estático de los cuerpos en reposo, esta aparece principalmente en el efecto de fricción de los cuerpos, esto genera una acumulación de cargas que hacen que un cuerpo gane o pierda electrones tanto positivos como negativos.
La energía estática se produce por la fricción; el frote o el rose de ciertos materiales conductores causando que los electrones pacen de un cuerpo a otro quedando uno siempre más negativo que el otro variando según la fuerza que se ejerza sobre ellos, correspondiendo a la tercera ley de newton que dice que “A toda acción corresponde una reacción igual y opuesta”.
Cuando las cargas eléctricas generadas por la estática son estacionarias se producen diferentes fuerzas en el mismo espacio en el que se está produciendo la energía. Por el otro lado las fuerzas pueden aplicarse, transmitirse o multiplicarse mediante el empleo de las maquinas simples; pero cuando la energía esta en movimiento produce unos efectos.
En la energía estática se produce un efecto llamado efecto Triboélectrico que es un tipo de electrificación causada por la polaridad, es decir, las fuerzas de las cargas producidas por diferentes cuerpos y el rozamiento de los mismos.

El físico Charles Agustín de coulomb (1736_1806) fue quien en 1765 determino la ley por la que se regían las manifestaciones eléctricas y estableció que en los cuerpos electrizados las acciones eléctricas entre ellos son directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadro de la distancia que los separa, dependiendo del medio (aire, agua, vacío, etc.) en que ambos se encuentran.
La electricidad estática se caracteriza porque el movimiento de electrones se realiza entre dos cuerpos diferentes. El equilibrio de un cuerpo neutro puede alterarse por frotamiento o por contacto con otro cuerpo, como se a descrito anteriormente.
Uno de los generadores de energía que utiliza la energía estática es el de van de Graf, creado por el físico estadounidense Robert J. Van de Graff Carreo (Nació en Alabama el 20 de diciembre de 1901 y murió 16 de enero de1967), empezó realizando experimentos de física nuclear y aceleración de partículas con cargas, y en 1931 produjo un generador que lleva su nombre el cual podía alcanzar una diferencia de 1 mega voltio, con el fin de producir una diferencia de potencias muy alta y así poder acelera las partículas muy cargada. Más adelante decidió crear uno más grande, que podría generar 7 mega voltios. Con este invento logro ser parte del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).


Generador de Van de Graaff

Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.
El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo.
Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas.
El primer generador electrostático fue construido por Robert Jamison Van der Graff en el año 1931 y desde entonces no sufrió modificaciones sustanciales.
Existen dos modelos básicos de generador:
·  el que origina la ionización del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red eléctrica y que crea un gran voltaje)
·  el que se basa en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor externo sólo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el motor.
Nosotros vamos a construir y a estudiar uno de este último tipo, que coincide con los generadores didácticos que existen en los centros docentes.
En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobre la correa y son transportadas hasta la parte interna de la cúpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga.


Consta de:
1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior.
2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje.
3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje.
4.- Dos "peines" metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.
5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora).
6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano.

Funcionamiento
Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior.
Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el rodillo superior hecho de metal. El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa.
El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del "peine" metálico.

El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del "peine" situadas a unos milímetros de la banda, ioniza el aire.
Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma.El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo. El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa.
Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado.
La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo.
Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las del cilindro, pero estas no intervienen en los procesos de carga de la esfera.
Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie.
Parte superior.
Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correa.
El peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.
Un generador de Van der Graff no funciona en el vacío.
La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa.El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.


El campo creado en el "peine" por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con moléculas de aire. Las partículas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento eléctrico positivo). Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada.
El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa.
Por el efecto Faraday (que explica el por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

Principios en que se basa el generador Van der Graaf
-          Electrización por frotamiento –triboelectricidad.
-          Faraday explicó la transmisión de carga a una esfera hueca. Cuando se transfiere carga a una esfera tocando en su interior, toda la carga pasa a la esfera porque las cargas de igual signo sobre la esfera se repelen y pasan a la superficie externa. No ocurre lo mismo si tratamos de pasarle carga a una esfera (hueca o maciza) tocando en su cara exterior con un objeto cargado. De esta manera no pasa toda la carga.
-          Inducción de cargas.

III.       MATERIALES Y MÉTODO

MATERIALES:
-        Un pequeño clavo
-        Una liga (banda de goma grande) de 1 0 2 centímetros de ancho y de 6 a 10 centímetros de ancho.
-        Un fusible de 5x2 milímetros
-        Un pequeño motor de corriente continua ( sacado de un juguete)
-        Una lata de aluminio (lata de gaseosa)
-        Pegamento instantáneo
-        Dos cables de 15 centímetros de longitud
-        Dos piezas de tubo de tubería plástica de ¾ de pulgada PVC de 5 o 7 centímetros de longitud
-        Acope de ¾ de PVC
-        Un conector T de PVC
-        Cinta adhesiva
-        Un bloque de madera.


Fig. 01. Materiales a usar en nuestro proyecto


PROCEDIMIENTO:
a.    Lo primero que hay que hacer es cortar una pieza de 5 a 7 cm. de un tubo de ¾ de pulgada de PVC la cual será colocada en una base de madera.
 




b.    Luego perforamos un agujero a un lado del conectador T de PVC justo debajo de la polea del motor. Este agujero se usara para sujetar el “cepillo” inferior que es simplemente cable pelado en un extremo y que está casi tomando la banda de goma en la polea, donde luego el cable pelado se sujeta con cinta adhesiva o pegamento.

c.   
El conector de PVC sujetara el pequeño motor, luego se le asegurara con cinta aislante a su alrededor. 

a    d.    Se coloca la banda de goma en la polea y se deja cuelgue del conector T
e   e.    Ahora, cortamos unos 8 a 10 cm de tubo de 3/4 de PVC. Este irá sobre el conector T, con la banda de goma en el interior. Usamos un clavito para sujetar la banda de goma. El largo del tubo debe ser de la misma longitud que la banda de goma. Esta no debe estar muy estirada porque la fricción evitará que el motor gire. 


f.   f.    Cortamos la lata de aluminio en su parte superior, y cortamos un pedazo de cartón, que servirá de soporte a la lata,  del mismo diámetro que el tubo en la base y al medio. Introducimos el tubo PVC por este.

e  g.     Luego perfóranos tres agujeros en el acople de PVC. Dos de estos tiene que estar en lugares opuestos porque sujetarán el clavito que actuará de eje para la banda de goma. El tercer agujero se encuentra entre los otros dos y sujetará el "cepillo" superior, el que, al igual que el de abajo se encuentra tan cerca que "casi" toca a la goma.
     El cepillo superior se sujeta al tubo de unión de PVC y el acople se pone en el tubo de 3/4 sobre el soporte de vaso de plastoform.
Lh.  La banda de goma se jala por el acople y se lo sostiene en su lugar con el clavo.
      Se pela el cable y se le da unas vueltas para que los alambritos no se separen mucho.
    El otro extremo del cable se sujeta dentro de la lata de soda para que esté eléctricamente conectado al "cepillo".
i.i. Necesitamos un pequeño tubo de vidrio que funcione como polea de baja fricción y como complemento "triboeléctrico" de la banda de goma, ambos nos servirán para generar electricidad estática por fricción. El vidrio y la goma son muy buenos generadores de electricidad.
     

   El tubo se consigue de un fusible eléctrico. Los extremos metálicos se quitan con un soldador.
j.  j.El siguiente paso es un poco difícil: metemos el clavito por uno de los agujeros en el tubo, luego se introduce el tubito de vidrio, después la banda de goma que debe estar sobre el tubito de vidrio y finalmente metemos el clavito en el orificio del frente.
   k. La banda de goma debe girar sobre el tubito de vidrio y este girar sobre el clavito.
l.l. Ahora encolamos la base del vasito en el tubo de PVC. Es mejor usar una lata de soda, estas se usan porque no tienen esquinas, lo cual minimiza la "descarga de corona".
    Con una cuchilla, corta un agujero en la base de la lata.
   Con el mismo borde del corte en la base, se hace sujetar el cable pelado del "cepillo" y se presiona la lata hasta que toque el vaso cortado, y finalmente, soldamos unos cables al motor para las pilas.
  m.   Finalmente para hacer funcionar el Van de Graaff conecta las pilas. Si los "cepillos" están muy cerca, pero sin tocar a la banda de goma, sentirás una chispa que sale de la lata de soda al acercar el dedo. Es buena idea sujetar con la otra mano el cable de abajo, del cepillo inferior.


IV.      RESULTADOS
-          Se logró en forma óptima la construcción del generador de Van de Graff a partir de materiales sencillos y de bajo costo. Con este generador se logra demostrar la generación de corriente eléctrica, utilizando materiales que permiten el paso de electrones con facilidad (faja de goma).
-          Al estar en movimiento continuo el caucho (faja de goma), se liberan unos electrones los cueles hacen que se cargue la lata y producen el campo magnético.
-          El uso del generador es de fácil manejo sin correr ningún riesgo.
-          Sirve como material didáctico para explicar fenómenos de electricidad.