409 Estructura de los metales

Material necesario: esferas de corcho blanco, alfileres y una base de corcho.

Podemos usar bolas de corcho para representar los átomos idénticos de un metal. Las estructuras de los metales están basadas en las diferentes formas en las que pueden empaquetarse las esferas (los átomos) de forma que se logre una estructura ordenada y compacta.

Empaquetamiento compacto hexagonal y cúbico

Si se colocan las esferas sobre una superficie ligeramente inclinada se puede obtener de manera natural una estructura plana compacta con las siguientes características:

Las esferas están dispuestas en filas rectas que forman ángulos de 60 º entre sí.
Cada esfera está rodeada de otras seis esferas que forman un hexágono regular.
Cada esfera tiene seis depresiones que pueden ser ocupadas por tres esferas de una segunda capa.

Se pueden apilar capas de átomos unas sobre otras, colocando los átomos en los huecos que dejan los átomos de las capas adyacentes. Cada esfera está en contacto con seis esferas en su misma capa, con otras tres esferas de la capa inferior y otras tres esferas de la capa superior. En total 12 esferas.

A la hora de situar una tercera capa de esferas tenemos dos posibilidades:

Las esferas de la tercera capa se colocan verticalmente sobre las esferas de la primera capa. El empaquetamiento que resulta es hexagonal compacto. El cinc tiene este tipo de estructura.

Las esferas de la tercera capa no se sitúan en la vertical de la primera capa. El empaquetamiento que resulta es cúbico compacto. El cobre tiene este tipo de estructura.

En los dos casos las esferas ocupan el 74% del volumen total.

Empaquetamiento cúbico centrado en el cuerpo.  

Tenemos una primera capa de esferas de manera que definan un cuadrado y dejando una pequeña separación entre las esferas. Ahora se puede colocar una segunda capa de esferas en las depresiones de la primera capa. En esta disposición cada esfera está en contacto con cuatro esferas de la capa inferior y otras cuatro esferas de la capa superior. En total 8 esferas. El hierro tiene este tipo de estructura.

En el empaquetamiento cúbico centrado en el cuerpo las esferas ocupan el 68% del volumen.

402 ¿Flota o no flota?

Para realizar nuestro experimento necesitamos un recipiente, agua, aceite, alcohol, unas chinchetas o tachuelas y unas bolas de corcho blanco (poliestireno expandido).

En primer lugar llenamos un tercio del recipiente con agua, luego añadimos una capa de aceite y por último otra capa de alcohol. El agua y el alcohol no se mezclan con el aceite (son líquidos inmiscibles) pero el agua y al alcohol si se mezclan (son líquidos miscibles). El alcohol se añade con cuidado procurando que no entre en contacto con el agua. Se puede dejar caer lentamente por las paredes del recipiente.

Ahora clavamos algunas chinchetas en las bolas de corcho y las dejamos caer en el vaso. Dependiendo del número de chinchetas las bolas se hunden en el fondo del recipiente o quedan flotando en alguna de las superficies de separación (agua-aceite, aceite-alcohol, alcohol-aire).

Explicación

El agua es más densa que que el aceite y éste menos denso que el alcohol. Por eso el aceite flota sobre el agua y el alcohol sobre le aceite. El agua y el alcohol son dos sustancias moleculares polares que no se mezclan con el aceite que es una sustancia molecular apolar. Se dice que una molécula es polar si presenta una separación de cargas.

Un chincheta de acero es más densa que los tres líquidos y se hunde en el recipiente. Una bola de corcho es menos densa que los tres líquidos y flota sobre el alcohol. Al clavar chinchetas en las bolas se logra una densidad intermedia y por eso algunas bolas flotan sobre el agua o sobre el aceite.

399 Choque de bolas

Para realizar nuestro experimento necesitamos bolas de acero y bolas de corcho del mismo tamaño.

Primera parte

En primer lugar colocamos unas ocho bolas de acero en fila sobre un canal de bajo rozamiento de modo que estén en contacto. Si otra bola golpea la fila vemos que la última bola de la fila se separa de las demás. Y si lanzamos dos bolas vemos que ahora se separan las dos últimas bolas de la fila.

Las bolas en reposo transmiten el movimiento.

Segunda parte

Ahora sustituimos una de las bolas de acero por una bola de corcho del mismo tamaño. Ahora la fila de bolas ya no puede transmitir todo el movimiento.

Explicación

En un choque de bolas se conserva el momento lineal. El momento lineal de una partícula de masa m que se mueve con una velocidad v se define como el producto de la masa por la velocidad. Sin embargo la energía cinética no se conserva ya que parte se transforma en energía térmica y en energía potencial elástica cuando los cuerpos se deforman.

En el caso de bolas idénticas, la primera bola que choca con la fila transfiere su momento lineal a la segunda bola, la segunda transfiere su momento lineal a la tercera y así sucesivamente. La última bola es la que se separa de la fila con la misma velocidad que la bola incidente.

En el caso de choques con bolas de diferente masa la conservación del momento lineal no garantiza que las bolas transfieran la misma velocidad. En el vídeo podemos ver algunos ejemplos.

347 Atracción sobre el agua

Para realizar nuestro experimento necesitamos un vaso de plástico con agua y unas bolitas de corcho blanco o porexpan (poliestireno expandido).

En primer lugar llenamos el vaso con agua sin llegar al borde del vaso y luego dejamos sobre el agua unas bolitas de corcho. Las bolitas se pegan a las paredes y se atraen unas a otras evitando el centro del vaso. Si luego llenamos el vaso con agua hasta el mismo borde del vaso vemos que las bolitas se atraen y se mueven hasta colocarse en el centro del vaso lejos del borde del vaso.

Explicación

Las bolitas de porexpan son atraidas por el vaso de plástico y repelidas por el agua. Si no se llena el vaso hasta el borde las bolitas se pegan a las paredes del vaso de plástico alejándose del agua. Si se llena el vaso hasta el mismo borde las bolitas no pueden pegarse a las paredes del vaso de plástico y se mueven hacia el centro, pegándose unas a otras, para alejarse del agua lo máximo posible.

330 Efecto Coanda con bola de corcho

Para realizar nuestro experimento necesitamos una bola de corcho, arena y agua.

En 1910 el ingeniero aeronáutico rumano Henri Coanda (1886 – 1972) descubrió que un fluido (gas o líquido) tiende a seguir el contorno de la superficie sobre la que incide (siempre que la curvatura de la superficie sobre la que incide el fluido y el ángulo de incidencia del fluido no sean muy grandes).

Para demostrar el efecto Coanda podemos dejar caer un chorro de agua sobre la superficie de una bola de corcho sujeta por un hilo. Vemos que el líquido se pega a la superficie y sale en dirección opuesta. Por conservación del momento lineal o según el principio de acción y reacción la bola de corcho se mueve en sentido contrario a la dirección de salida del chorro de agua.

Si luego dejamos caer arena sobre la bola vemos que ya no aparece el efecto Coanda. La arena rebota sobre la superficie y la bola se desplaza en sentido contrario por el principio de acción y reacción o tercera ley de Newton.

243 Bolitas que se atraen y bolitas que se repelen

Para realizar nuestro experimento necesitamos un recipiente con agua, un par de bolas de corcho y una bola de cera.

Dos bolas de corcho se atraen sobre la superficie del agua si se colocan a una distancia de uno o dos centímetros. Si las bolas se aproximan al borde del recipiente son atraídas por las paredes.

Si repetimos ahora el experimento con una bola de corcho y una bola de cera podemos ver que se repelen. Y la bola de cera es repelida por las paredes del recipiente.

Explicación
El agua moja las paredes del recipiente y la bola de corcho. En ambos casos el agua sube por las paredes formando un menisco cóncavo (la superficie del agua se curva hacia arriba). Respecto a la bola de cera, la superficie de la bola no es mojada por el agua y el agua no sube por las paredes (la superficie del agua se curva hacia abajo).

La superficie del agua se comporta como si fuera elástica por acción de la tensión superficial y tiende a contraerse. Si las dos bolas de corcho son mojadas por el líquido la mínima superficie se logra cuando las bolas están juntas o pegadas a las paredes del recipiente. En cambio, la mínima superficie se logra cuando las bolas están separadas cuando una de las bolas es mojada por el líquido y la otra no.

71 Una pelota que levita (un experimento con suspense)

Para realizar nuestro experimento necesitamos una pelotita ligera (de corcho o de ping-pong) y un secador de pelo.

Si encendemos el secador y dejamos la pelotita en la parte central de la corriente de aire vemos que permanece en reposo sin caer. La pelotita permanece en el centro de la corriente son caer pero girando sobre sí misma.

Dependiendo del peso de la pelotita quedará suspendida más cerca o más lejos del secador.

Podemos comprobar que al inclinar un poco el secador la pelotita no cae y que si acercamos el secador con la bolita a una pared la pelotita ascenderá.

La explicación del experimento parece muy simple. La corriente de aire ascendente que sale del secador genera una presión y una fuerza que compensa el peso de la bolita. Esto permita que la bolita quede flotando en el aire.

Ahora bien, ¿por qué permanece la bolita atrapada en el centro de la corriente de aire sin salirse?

Tengo dos posibles explicaciones:

Primera explicación:

La velocidad del aire que sale del secador es mayor en la parte central y menor en los bordes. Fuera de la corriente el aire está en reposo.
Las regiones donde el aire se mueve con mayor velocidad son de baja presión y las regiones donde el aire tiene menor velocidad son de alta presión (principio de Bernoulli)
Cuando la pelotita se desplaza ligeramente de la parte central de la corriente se genera una diferencia de presión (y una fuerza neta) que empuja a la pelotita de regreso al centro de la corriente. Además, la diferencia de presión hace que gire la pelotita.


Segunda explicación

Cuando la pelotita se desplaza ligeramente, el aire a gran velocidad que circula por la parte central se pega a la superficie de la bolita (efecto Coanda) y se desvía alejándose de la corriente central. Por el principio de acción y reacción (o por conservación del momento lineal) la bolita se mueve en sentido contrario al del aire que desliza por su superficie, regresando a la parte central de la corriente de aire. Al regresar comienza a girar sobre sí misma.

¿Cuál será la explicación correcta?