378 Peonza celta casera o rattleback

Para realizar nuestro experimento necesitamos una cucharilla metálica, una cuchara de plástico y un par de clips.

Una peonza celta es un utensilio que gira de una manera peculiar. Con un impulso inicial la peonza gira respecto al eje vertical que pasa por el centro de la figura pero después de unas vueltas se detiene y cambia el sentido de giro. 

Algunas peonzas tienen una dirección de giro preferente. En un sentido la peonza gira y se detiene después de unas vueltas. Pero en sentido contrario la peonza se detiene después de unas vueltas y luego gira en sentido contrario.

En el vídeo podemos ver dos ejemplos de peonza celta con materiales caseros. En los dos casos la base de la peonza celta tiene una forma elipsoidal y la masa no se distribuye uniformemente.

Explicación

Con un impulso inicial la peonza gira respecto a un eje vertical que pasa por el centro de la figura.

Después de unas vueltas la figura comienza a cabecear (oscilar hacia arriba y hacia abajo) y se produce una transferencia de energía entre el giro y el cabeceo. Al aumentar el cabeceo disminuye la velocidad de giro y la peonza termina parándose. Después se invierte el sentido del giro y el cabeceo disminuye.

Si te interesa el tema puedes profundizar en el siguiente enlace de  Francisco R.Villatoro en Naukas.

334 Sincronizar dos péndulos

Para realizar nuestro experimento necesitamos dos péndulos que podemos hacer con un par de tuercas y un trozo de hilo.

La idea del experimento es colgar dos péndulos de una tira de cartón ligero que pueda oscilar libremente. Los dos péndulos están separados unos 15 cm y pueden oscilar sin tocar el suelo. En el vídeo podemos ver el montaje con un par de cajas de cartón y dos palitos.

Cuando las dos tuercas están en reposo se separa una de ellas de su posición de equilibrio y se la deja oscilar libremente. La oscilación del primer péndulo produce unas vibraciones que se transmiten por la tira de cartón al segundo péndulo que comienza a oscilar. El acoplamiento de los dos péndulos a través de la tira de cartón produce la sincronización. Ambos péndulos terminan haciendo el mismo recorrido de ida y vuelta en el mismo tiempo con la misma frecuencia. El cartón oscilante permite la transmisión del movimiento y de la energía entre los péndulos.  

La longitud de los péndulos determina el tiempo que tarda en dar una oscilación completa (período del movimiento). Si aumenta la longitud del hilo aumenta el período y el péndulo tarda más tiempo en su recorrido de ida y vuelta.

245 Péndulo interrumpido

Para realizar nuestro experimento necesitamos un péndulo simple.

Si separamos nuestro péndulo de su posición de equilibrio y lo dejamos oscilar vemos que la amplitud de la semioscilación al otro lado es aproximadamente igual al desplazamiento inicial y que la bola casi recupera la misma altura inicial.

Si introducimos una clavo en el camino que recorre el hilo vemos que el péndulo queda interrumpido y que la amplitud de la semioscilación es mucho menor pero la bolita recupera la altura inicial.

Explicación 
Al separar la bolita de su posición de equilibrio y dejarla en libertad, vemos que se mueve hacia su posición de equilibrio, transformando la energía potencial inicial en energía cinética (pierde altura y gana velocidad). Al llegar a la posición de equilibrio, el punto más bajo, toda su energía potencial se transformó en energía cinética. Luego la bolita se desplaza hacia la derecha de la posición de equilibrio, perdiendo energía cinética y ganando energía potencial (pierde velocidad y gana altura).

Por conservación de la energía mecánica, la energía potencial final a la derecha de la posición de equilibrio es igual a la energía potencial inicial, y la bolita llega casi hasta la misma altura de partida. Colocar un clavo modifica la trayectoria de la bolita pero no afecta a la conservación de la energía del péndulo y la bolita recupera la altura inicial.

118 El péndulo dibujante

Para realizar nuestro experimento necesitamos un trozo de cuerda, una botella de plástico y pintura.

1 Recortamos la base de la botella de plástico y luego practicamos un par de orificios cerca de la propia base para colgar la botella boca abajo.

2 Realizamos un par de agujeros pequeños en el tapón de la botella de plástico.

3 Con la botella y la cuerda construimos nuestro péndulo dibujante. Puedes ver los detalles del péndulo en el experimento dibujar con arena.

4 Llenamos la botella con pintura, colocamos un trozo de papel blanco debajo del péndulo y ya estamos listos para comenzar a dibujar.

5 Apartamos el péndulo de la vertical y soltamos la botella con un pequeño impulso lateral.

Dependiendo de la longitud de la cuerda y de la disposición de los dos nudos obtenemos diferentes curvas (las llamadas figuras de Lissajous)

99 El péndulo y el método científico

Para realizar nuestro experimento necesitamos un carrete de hilo y un par de tuercas de diferente tamaño.

Para construir un péndulo simple atamos un trozo de hilo a una de las tuercas y luego atamos el otro extremo del hilo a algún soporte que permita a la tuerca oscilar sin tocar el suelo.

Si apartamos la tuerca de la posición de equilibrio (la vertical) y la dejamos oscilar libremente tenemos un péndulo simple. Llamamos período del péndulo al tiempo que tarda la tuerca en realizar una oscilación completa.

¿De qué factores depende el período de oscilación del péndulo? ¿Dependerá de la amplitud de las oscilaciones, del tamaño de la tuerca o de la longitud del hilo? Para averiguarlo realizamos tres experimentos:

Experimento 1: construimos dos péndulos simples idénticos (misma longitud del hilo y tuercas iguales) y luego apartamos los péndulos de la posición de equilibrio de manera que uno de ellos tenga una amplitud de oscilación mayor. Podemos ver que las dos tuercas tardan el mismo tiempo en completar una oscilación

Conclusión 1: el período de oscilación del péndulo no depende de la amplitud de las oscilaciones.

Experimento 2: construimos dos péndulos de igual longitud pero con tuercas diferentes. Si apartamos los dos péndulos de la posición de equilibrio y los soltamos vemos que tardan el mismo tiempo en completar una oscilación.

Conclusión 2: el período de oscilación del péndulo es independiente del tamaño de la tuerca.

Experimento 3: construimos dos péndulos de diferente longitud con tuercas de igual tamaño. Si apartamos los dos péndulos de la posición de equilibrio y los soltamos vemos que el péndulo de menor longitud tarda menos tiempo en completar una oscilación.

Conclusión 3: el período de oscilación del péndulo depende de la longitud del hilo. Si la longitud del hilo es menor tarda menos tiempo en completar la oscilación y, por tanto, su período de oscilación es menor.

79 El secreto del columpio

Para realizar nuestro experimento necesitamos un péndulo simple. Podemos construir un péndulo simple con un lápiz, una tuerca y un trozo de hilo.

Un péndulo tiene una frecuencia propia de oscilación que depende de la longitud del péndulo. Las oscilaciones de un péndulo aumentan si se aplica una fuerza pequeña periódicamente. Cuando la frecuencia de aplicación de la fuerza coincide con la frecuencia propia del péndulo se produce el fenómeno de la resonancia y la amplitud de las oscilaciones aumenta mucho.

Para realizar nuestro experimento:
1)Atamos el hilo con la tuerca en el centro del lápiz.
2) Sujetamos el lápiz por los extremos.
3) Giramos el lápiz primero en el sentido de las agujas del reloj y luego en sentido contrario, repitiendo los giros periódicamente.

Cuando la frecuencia de giro coincide con la frecuencia natural del péndulo se produce la resonancia.

Un ejemplo sencillo de resonancia lo tenemos en el columpio. El columpio como cualquier péndulo tiene su frecuencia natural de oscilación. Si impulsamos el columpio con una frecuencia igual a la frecuencia natural las amplitudes de oscilación aumentan mucho. Por tanto, para mantener el columpio en movimiento es necesario comunicar energía continuamente, pero no de cualquier forma. Para que haya resonancia es necesario comunicar energía con la misma frecuencia con la que vibra el columpio.

Un niño que se esté columpiando mantiene el movimiento estirando las piernas en el punto más alto del columpio (eleva su centro de masas) y encogiéndolas en el punto más bajo (baja su centro de masas). De esta forma el niño entrega energía al columpio periódicamente y mantiene las oscilaciones.

78 Oscilaciones con una vela

Para realizar nuestro experimento necesitamos una vela y una varilla metálica.

En primer lugar retiramos un poco de cera de la base de la vela para poder encenderla por los dos extremos. Luego determinamos el centro de gravedad de la vela (el centro geométrico) con ayuda de un metro y clavamos la varilla metálica en ese punto. Calentando la varilla resultará más fácil introducirla en la vela.

Si apoyamos los extremos de la varilla en dos sillas podemos ver que la vela queda en equilibrio en posición horizontal.



Ya tenemos lista la vela para nuestro experimento.

Si prendemos ahora uno de los extremos de la vela la cera se derretirá y perderá un poco de masa, lo que supondrá que la vela pierda el equilibrio y se incline hacia el otro extremo. Si encendemos el otro extremo se derretirá la cera en los dos lados por lo que el equilibrio se alterará a medida que se derrite la cera, ocasionando unas oscilaciones muy grandes en torno a la posición de equilibrio horizontal.

74 De oscilaciones a ondas

Para realizar nuestro experimento necesitamos un carrete de hilo, dos o tres metros de goma elástica y una docena de tuercas.


Construimos unos péndulos atando una tuerca al extremo de un hilo. Luego colgamos los péndulos de una goma elástica horizontal.

En primer lugar colgamos dos péndulos de la goma elástica. Si se hace oscilar uno de los péndulos, la energía se transfiere por el hilo pasando al otro péndulo. Después de un tiempo el primer péndulo se frena y queda prácticamente en reposo mientras que el otro péndulo oscila con gran amplitud.

Podemos repetir el experimento con tres o cuatro péndulos y probando distintas situaciones iniciales. En cualquier caso, al desviar el primer péndulo de su posición de equilibrio vemos que el movimiento se transmite a los otros péndulos.

Por último, examinamos el comportamiento de un sistema formado por muchos péndulos (doce) cuando se desvía el primer péndulo de suposición de equilibrio. Vemos que los péndulos oscilan con un desfase produciendo una onda.

Una onda es una propagación de una perturbación (en nuestro experimento la perturbación se origina con la oscilación del primer péndulo) que se propaga a través del espacio transportando energía. Las oscilaciones se propagan por la goma elástica que sujeta los péndulos.

66 Dibujar con arena

Para realizar nuestro experimento necesitamos una botella de plástico, arena de playa y una cuerda.

Tenemos que construir un péndulo con la botella de plástico tal como aparece en la foto.

Cortamos la base de la botella de plástico, hacemos un par de agujeros en el lateral para pasar la cuerda y otro agujero en el tapón para que salga la arena.




Es importante colgar la botella tal como aparece en la imagen (con un nudo inferior y otro superior)Por último la llenamos de arena.
Si apartamos la botella de la posición de equillibrio y la soltamos comenzará a oscilar, describiendo una trayectoria que quedará registrada en el suelo por el trazo que deja la arena que cae de la botella.
Dependiendo de la longitud total de la cuerda y de la relación entre las distancias D y L (ver foto), obtendremos diversas figuras.



Por ejemplo:

Las figuras que se obtienen se conocen como figuras de Lissajous, por el científico francés Jules Antoine Lissajous que las observó en 1857. Él usó sonidos de diferentes frecuencias (agudos y graves) para hacer vibrar un espejo. Un rayo de luz reflejado en el espejo dibujaba figuras, cuya forma dependía de la frecuencia de los sonidos.

26 Péndulos acoplados

Material:1 Hilo
2 Dos bolitas para los péndulos (puede usarse tuercas o bolas de plastilina)

Montaje:
1. Corta dos trozos de hilo, de unos 60 cm cada uno, y ata una bolita a cada extremo.
2. Corta otro trozo de hilo y ata los dos trozos anteriores separados por unos 15 cm
3. Ata el conjunto de manera que las dos bolitas (los dos péndulos) puedan oscilar sin tocar el suelo.






4. Cuando las dos bolitas estén en reposo, separa una de ellas de su posición de equilibrio y déjala oscilar libremente.
5. El primer péndulo oscilará durante unos instantes. Al cabo de un tiempo comenzará a frenarse y el segundo péndulo comienza a oscilar. Sucederá que el primer péndulo se frenará mientras que el segundo oscila con la máxima amplitud. Luego será el segundo péndulo el que se frene y el primero comienza a oscilar. El proceso se repite hasta que ambos péndulos quedan en reposo.

Explicación:
Si se separa un péndulo de su posición de equilibrio y se suelta, empezará a oscilar con una frecuencia que depende de la longitud del hilo. Al unir los dos péndulos por un hilo se produce un acoplamiento, el movimiento de un péndulo afecta al otro, y la energía de oscilación se transfiere continuamente de uno a otro.

Puedes ver una animación sobre unos péndulos acoplados por un muelle en:
http://www.walter-fendt.de/ph14s/cpendula_s.htm