Física para niños

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Velocidad y movimiento

1. ¿A qué velocidad nos movemos?

Podemos comparar varios elementos. El record mundial de un corredor es de 3 minutos 3,35 segundos para 1,5 Km., mientras que un peatón recorre 1,5 m por segundo; estas comparaciones no nos da una idea exacta de la velocidad, porque mientras que el peatón puede andar durante horas, el corredor solo lo hace durante un periodo corto de tiempo. El caracol sólo recorre 1,5 mm por segundo, mil veces menos que la del peatón. Aquí podemos observar cómo el hombre es más ágil, pero al compararlo con una mosca, solo podrá competir cuando vaya esquiando, mientras que a la liebre o al galgo, nunca los adelantará, y para competir con la velocidad del águila, necesita un avión. Por todo esto, el hombre ha inventado máquinas para convertirse en el ser más rápido, como los trenes, los aviones, los coches, los cohetes…

2. En persecución del tiempo

Una pregunta que nos pone el autor es: Si salimos de Vladivostok a las 8 de la mañana en avión, ¿podemos llegar a Moscú a las 8 de la mañana del mismo día?, al principio nos parecería que es imposible, pero es que los husos horarios entre las dos ciudades son de nueve horas de diferencia, y como el avión recorre esta distancia en nueve horas, pues si se puede llegar. La distancia entre las dos ciudades es de 9000 km, por lo tanto el avión deberá ser de 1000 km/h, velocidad fácil de conseguir.

Mark Twain en un viaje en barco desde Nueva York a las Azores, observó como la luna estaba todas las noches a la misma hora y en el mismo lugar del firmamento. Esto ocurre porque como la luna se mueve 29 veces mas despacio que la tierra alrededor de su eje, un barco que haga 25 o 30 km/h puede adelantar a la luna.

3. Una milésima de segundo

Para la gente corriente una milésima de segundo es como si dijéramos cero. La milésima de segundo se empezó a utilizar hace poco porque se pensaba que un minuto era una magnitud demasiado pequeña para que hubiera necesidad de medirla. En la antigüedad, la vida del hombre no era apresurada y sus relojes, de sol, de agua o de arena, carecían de divisiones especiales para contar los minutos. Pero a comienzos del siglo XIX aparece ya hasta el segundero.

Casi siempre se piensa que en una milésima de tiempo, no puede ocurrir nada, pero la verdad es que un tren solamente puede avanzar unos tres centímetros, pero el sonido recorre ya 33 cm; un avión, cerca de medio metro; la Tierra, en este intervalo de tiempo, recorre 30 m de su órbita alrededor del Sol, y la luz, 300 km. El parpadeo de un hombre no se puede medir en milésimas de segundo, es bastante lento, son 400 milésimas de segundo. Si pudiéramos ver durante una milésima de segundo, el mundo nos parecería distinto. Podríamos ver los vasos sosteniéndose en el aire, ciclistas inmóviles…

4. La cámara lenta

Wells escribió “Un acelerador ultramoderno”, pero nunca pensó que esto pudiera ocurrir en la realidad, desafortunadamente solo lo vió por la pantalla. La cámara lenta muestra en la pantalla, con ritmo retardado, muchos fenómenos que se desarrollan muy de prisa, no es más que un tomavistas que efectúa, no 24 exposiciones por segundo, como los aparatos ordinarios, sino muchas más. Cuando las escenas tomadas con 61 se proyectan en la pantalla, haciendo pasar la película a la velocidad normal, el observador ve los movimientos alargados, realizándose un número proporcional de veces más despacio que lo normal.

5. ¿Cuándo nos movemos más deprisa alrededor del sol? De dia o de noche.

Lo que se pregunta para entenderlo mejor es que cuándo nos trasladamos más deprisa entre las estrellas nosotros. Dentro del sistema solar nosotros tenemos dos movimientos: uno de traslación alrededor del Sol y otro de rotación alrededor del eje de la Tierra. Estos dos movimientos se combinan, pero cuando nos encontramos en el hemisferio en que es de día, el resultado de esta combinación es diferente del que se obtiene cuando estamos en el hemisferio en que es de noche. A medianoche, la velocidad de rotación se suma a la de traslación de la Tierra, mientras que a mediodía se resta de ella. Es decir, a medianoche nos movemos, en el sistema solar, más deprisa que a mediodía.

6. El enigma de la rueda del carro

Si pegamos un papel de color a la llanta de la rueda de un carro o de una bicicleta y nos fijamos, notamos que al girar la rueda, el papel se ve bastante bien mientras se encuentra en la parte inferior de la misma, pero su paso por la parte superior es tan fugaz, que no da tiempo a distinguirlo. Da la sensación de que la parte superior de la rueda se mueve más deprisa que la inferior. Este fenómeno consiste en que la parte superior de la rueda se mueve efectivamente más deprisa que la inferior. Cada punto de la rueda realiza simultáneamente dos movimientos: uno de rotación, alrededor de su eje, y otro de avance, junto con este mismo eje. En la parte superior, el movimiento de rotación de la rueda se suma al de avance, ya que estos dos movimientos van en el mismo sentido. En la parte inferior, al revés, el movimiento de rotación tiene dirección contraria al de avance y, por consiguiente, se resta de este último.

Un experimento que podemos hacer es hincar un palo junto a una rueda parada, de manera, que quede frente al eje. En la parte más alta y más baja de la rueda, hagamos con tiza unas señales de referencia. Estas señales se encontrarán también enfrente del palo. Ahora desplazamos la rueda hacia la derecha, hasta que el eje de la rueda se aleje del palo unos 20 ó 30 centímetros, y observamos cómo se han desplazado las señales de referencia. Está claro, que la señal superior ha experimentado un avance mucho mayor que el de la señal inferior, la cual apenas si se ha separado del palo.

7. El punto de la rueda que se mueve más espacio

En el momento de su contacto con el suelo, los puntos de la rueda se encuentran totalmente inmóviles, todo hasta ahora se refiere a las ruedas que ruedan y no a las que giran sobre un eje fijo. Los puntos de la llanta de una rueda volante estén en su parte superior o inferior, se mueven a una misma velocidad.

La gravedad y el peso

1. ¡A levantarse!

Si le decimos a alguien que se tiene que sentar en una silla como le decimos y que no podrá levantarse, cómo si estuviera atado, no se lo cree. Pero al hacer la prueba se comprueba que es verdad. Hay que sentarse como el dibujo, con el cuerpo vertical y si meter las piernas debajo de la silla, ahora hay que intentar ponerse de pie, sin levantar el cuerpo hacia delante y son cambiar las piernas de posición. Cuando llegas a este momento, se puede comprobar que es imposible ponerse en pie mientras no pongamos los pies debajo de la silla y no inclinemos el cuerpo hacia adelante.

Esto ocurre porque: cuando una persona está en pie, la vertical de su centro de gravedad pasa por la superficie limitada por las plantas de sus pies. Una persona puesta de pie no se cae, mientras la vertical de su centro de gravedad está comprendida dentro de la superficie limitada por los bordes exteriores de las plantas de sus pies. El centro de gravedad de una persona sentada se encuentra dentro de su cuerpo, cerca de la columna vertebral y a unos 20 centímetros sobre el nivel del ombligo. Si trazamos desde este punto una vertical hacia abajo, esta línea pasará por debajo de la silla y más atrás que las plantas de los pies. Pero para que esta persona pueda levantarse, la línea en cuestión deberá pasar entre dichas plantas. Para levantarnos tenemos que echar nuestro cuerpo hacia adelante, desplazando así nuestro centro de gravedad en esta misma dirección, o correr los pies hacia atrás, para hacer que el punto de apoyo se encuentre debajo del centro de gravedad.

2. ¿Cómo hay que saltar de un vagón en marcha?

Si le decimos esto a unas cuantas personas, nos contestarán “hacia delante”, en la dirección del tren, de acuerdo con la ley de la inercia. Al decirle que nos explique que tiene que ver esa ley, pronto se parará porque la ley de la inercia nos dice que hay que saltar hacia atrás, al contrario de la dirección del tren. Si saltamos en marcha, nuestro cuerpo al separarse del vagón tiene su misma velocidad y tiende a seguir moviéndose hacia delante, por eso si saltamos en esa dirección, la velocidad en vez de disminuirla la aumentamos. Pero todo el mundo si tiene que saltar de un vehículo en marcha, lo hace hacia delante, y es la mejor manera porque si saltamos hacia adelante, como si lo hacemos hacia atrás la parte superior de nuestro cuerpo continuará moviéndose, mientras que nuestros pies, al tocar la tierra, se paran. esta regla no es aplicable a los objetos inanimados, por eso el equipaje hay que tirarlo hacia atrás.

3. Coger con la mano una bala disparada

Durante la primera guerra mundial, un aviador, estando volando vio como algo se acercaba a su cara y con un ágil movimiento de mano lo cogió; la sorpresa fue cuando vio que lo que había atrapado era una bala. La razón es la siguiente: Las bolas no se mueven siempre a la misma velocidad por la resistencia del aire. Al finalizar la trayectoria y antes de caer van a 40 m/s. Los aeroplanos de entonces podían ir a la misma velocidad que esa bala, por eso cuando se acercó la bala estaría casi o inmóvil con relación al piloto.

4. En la plataforma de la bascula

Las básculas solo indican el peso exacto cuando permanecemos quietos completamente en su plataforma. Si nos agachamos, el peso disminuye, porque los músculos que hacen flexionar la parte superior del cuerpo tiran hacia arriba de su parte inferior y disminuyen así la presión que el cuerpo ejerce sobre la superficie en que se apoya. Cuando dejamos de agacharnos, aumenta de peso porque el esfuerzo de los músculos empuja a ambas partes del cuerpo por separado. Si levantamos los brazos también aumentará el peso aunque sea poco porque los músculos que levantan nuestros brazos se apoyan en los hombros y, por consiguiente, empujan a éstos, y a todo el cuerpo, hacia abajo, por lo que la presión sobre la plataforma aumenta. Cuando bajamos el brazo, en el momento de hacerlo producimos una disminución del peso de nuestro cuerpo, mientras que en el instante en que paramos el brazo aumenta el peso.

5. ¿Cuánto pesa un cuerpo cuando cae?

Cuando subimos o bajamos en un ascensor, sentimos una extraña sensación, esto es la ingravidez. Al principio, cuando el suelo del ascensor comienza a descender, pero nosotros no tenemos aún una velocidad igual a la suya, nuestro cuerpo apenas si presiona sobre él y pesa muy poco. En cuanto pasa este instante, desaparece esta extraña sensación, nuestro cuerpo tiende a descender más deprisa que el ascensor y presiona sobre su suelo, es decir, vuelve a recobrar por completo su peso ordinario.

Coloquemos un cascanueces en uno de los platillos de una balanza de brazos, de forma, que una de las palancas de aquél descanse en el mismo platillo, mientras que la otra la atamos con un hilo al gancho del brazo Hecho esto, pongamos en el otro platillo pesas, hasta que la balanza quede equilibrada. Si acercamos entonces una cerilla encendida al hilo, éste arderá y la palanca superior del cascanueces caerá también en el platillo. ¿Qué ocurre? el platillo subirá durante un momento.

6. Mas fuerte que uno mismo

Los músculos de una persona son mucho más fuerte que el peso que puede coger. Nuestros músculos desarrollan una fuerza considerablemente mayor que aquella que se exterioriza en nuestras acciones. la acción del músculo llamado bíceps: está sujeto cerca del punto de apoyo de la palanca formada por el hueso del antebrazo mientras que el peso a levantar actúa sobre el otro extremo de esta misma palanca viva. La distancia que hay desde el peso hasta el punto de apoyo, es decir, hasta la articulación, es casi 8 veces mayor que la que hay desde el extremo del músculo a este mismo punto de apoyo. Según el peso que cojas el músculo tiene de él con una fuerza 8 veces mayor.

7. Como levitan

¿por qué es mas duro un asiento de un banco que el de una silla, siendo los dos de madera? El asiento de un banquillo es plano y cuando nos sentamos en él, nuestro cuerpo sólo tiene una pequeña superficie de contacto, en la cual se concentra todo su peso. La silla, por el contrario, tiene el asiento cóncavo, lo cual hace que su superficie de contacto con el cuerpo sea mayor y que por toda esta superficie se distribuya el peso. En este caso, cada unidad de superficie soporta menos carga y, por lo tanto, menos presión.

La resistencia del medio

1. El boomerang

La extraordinaria trayectoria que describe el bumerang es la resultante de la acción de tres factores: 1) del impulso inicial con que se lanza, 2) de la rotación del propio bumerang y 3) de la resistencia del aire.

Para ejercitarse dentro de una habitación hay que contentarse con un bumerang de cartulina, el cual puede recortarse de una tarjeta postal dándole la forma Cada rama debe tener una longitud aproximada de 5 cm y una anchura algo menor de 1 cm. Si sujetamos un bumerang de este tipo, introduciéndolo debajo de la uña del dedo pulgar, y lo damos un papirotazo en el extremo más próximo, de manera que el golpe resulte dirigido hacia adelante y un poco hacia arriba, el bumerang volará unos cinco metros, describirá suavemente una curva, que a veces suele ser muy complicada, y, si no choca con ningún objeto de la habitación, vendrá a caer a nuestros pies.

La rotación

1. ¿Cómo distinguir un huevo cocido de un huevo duro?

Los huevos duros no giran igual que los crudos. El huevo que queramos distinguir se coloca sobre un plato llano y, cogiéndolo con dos dedos, se le hace gira, el huevo que está cocido (y sobre todo duro) gira más de prisa y durante más tiempo que cuando está crudo. Si está crudo es difícil hacerlo girar, mientras que cuando está duro, gira tan rápidamente. Esto ocurre porque el huevo duro gira como si fuera un todo único, mientras que el contenido líquido del huevo crudo, al no recibir en el mismo instante este movimiento giratorio, retarda con su inercia el giro del cascarón. Si un huevo duro en rotación se toca con un dedo, se para inmediatamente. Si el que está girando es un huevo crudo, se parará un instante, pero al retirar el dedo dará todavía varias vueltas.

Ceñir un huevo cocido y otro crudo con respectivos anillos de goma, de manera que estos coincidan con un «meridiano», y en colgar ambos huevos de dos cordones iguales. Si torcemos estos dos cordones un número igual de veces y los soltamos, notaremos inmediatamente la diferencia entre el huevo cocido y el crudo. El huevo cocido, cuando el cordón vuelva a su estado inicial, empezará a torcerlo, por inercia, en dirección contraria, después de lo cual lo destorcerá de nuevo, y así sucesivamente varias veces, disminuyendo paulatinamente el número de vueltas. El huevo crudo girará a uno y otro lado una o dos veces y se parará mucho antes que el cocido, porque el contenido líquido frena su movimiento.

2. Remolinos de tinta

Cojamos un redondelito de cartón blanco y liso y atravesemos su centro con un palillo afilado. Obtendremos una peonza. Para hacer que esta peonza gire sobre la punta del palillo bastará hacer rodar rápidamente el palillo entre los dedos y dejar caer la peonza sobre una superficie plana.

Dejemos caer en el cartón varias gotas de tinta y, antes de que se sequen, hagamos girar la peonza. Cuando se pare, veremos que cada una de las gotas se ha corrido engendrando una línea espiral y que todas estas líneas juntas forman una especie de remolino.

Estas líneas son las huellas del movimiento de las gotas de tinta. Cada una de estas gotas está sometida a los mismos efectos que sienten las personas en la atracción de feria “La olla”. En estos sitios, el redondel adelanta a la gota deslizándose por debajo de ella, como si la gota se retrasara con respecto al redondel y retrocediera con relación al radio. Por esta razón, el camino que recorre la gota se curva y vemos en el círculo de cartón la huella de un movimiento curvilíneo.

Líquidos y gases

1. El problema de las dos cafeteras

¿Cual de las dos cafeteras tiene mayor capacidad?

Si echamos líquido en la cafetera más alta, veremos que sólo puede llenarse hasta el nivel del orificio del pitorro, ya que después comenzará a derramarse el líquido. Y como los orificios de los pitorros de ambas cafeteras se encuentran a una misma altura, la cafetera baja puede contener la misma cantidad de líquido que la alta. Si el pitorro no es suficientemente alto, no habrá manera de llenar la cafetera hasta arriba, porque el agua se derramará.

2. Los líquidos empujan hacia arriba

Con un tubo de cristal que sea ancho podemos observar como los líquidos también empujan hacia arriba.

Recortemos un redondel de cartón fuerte, de forma que su diámetro sea algo mayor que el del tubo antedicho. Tapemos con este redondel la entrada del tubo e introduzcámoslo después en un recipiente con agua. Para evitar que el redondel se desprenda al meter el tubo en el agua, puede sujetarse con un hilo que pase por su centro, o simplemente con un dedo. Una vez introducido el tubo hasta una determinada profundidad, es fácil comprobar que el redondel de cartón se sostiene perfectamente solo, sin necesidad de que lo sostengamos apretando el dedo o tirando del hilo. Es el agua, que empuja de abajo a arriba, la que lo aprieta.

Esta presion se puede medir. basta echar con precaución agua en el tubo; en cuanto el nivel dentro de éste se aproxima al del agua de la vasija, se desprende el redondel. Es decir, la presión que el agua ejerce sobre el redondel, desde abajo, se equilibra por arriba con la presión que ejerce la columna de agua cuya altura es igual a la profundidad a que está sumergido el cartón. Esta es la ley de la presión de los líquidos sobre cualquier cuerpo sumergido en ellos.

3. ¿Qué pesa más?

En uno de los platillos de una balanza hay un cubo lleno de agua hasta los bordes. En el otro platillo, un cubo exactamente igual, también lleno hasta los bordes, pero en él flota un trozo de madera. ¡Cuál es el que mas pesa?

Los dos cubos pesan lo mismo, porque según el principio de la flotación, cualquier cuerpo flotante desaloja, con su parte sumergida, una cantidad de líquido exactamente igual (en peso) a su peso total

4. Una moneda que no se hunde en el agua

Esto existe y lo vamos a comprobar a través de unos experimentos. Al parecer, es imposible que una aguja de acero flote en la superficie del agua, y sin embargo, no es difícil conseguirlo.

Pongamos en la superficie del agua un papel de fumar y depositemos sobre él una aguja completamente seca. Ahora no queda más que quitar con cuidado el papel de fumar. Para ello, se coge otra aguja o un alfiler y se van hundiendo con él los bordes del papel de fumar, teniendo precaución y avanzando paulatinamente hacia el centro, hasta que todo el papel se moja y se va al fondo, mientras que la aguja continúa flotando del vaso, al nivel del agua, podremos hacer que la aguja se mueva sin dejar de flotar en el agua.

La causa de que floten estos objetos metálicos es, que el agua moja mal el metal, que por haber estado en nuestras manos, está recubierto de una tenue capa de grasa. Por esto, en la superficie del agua se forma una concavidad alrededor de las agujas que flotan. Con la moneda lo haremos de la misma manera.

5. Del agua y seca

Poned una moneda en un plato llano grande, echad agua en él, hasta que cubra la moneda, e invitad a alguien que la saquen directamente con la mano, sin mojarse los dedos.

Esto se soluciona con un vaso y un papel ardiendo. se enciende el papel, se mete dentro del vaso y éste se coloca rápidamente boca abajo en el plato, junto a la moneda. El papel se apaga, el vaso se llena de humo blanco y debajo de él se reúne todo el agua que había en el plato. La moneda se queda, como es natural, en su sitio y, después de esperar un minuto, para que se seque, se puede coger sin mojarse los dedos.

Esto ocurre porque al arder el papel, el aire que hay en el vaso se calienta y aumenta la presión dentro de él, esto hace que parte del gas salga hacia fuera. Cuando el papel se apaga, el aire se vuelve a enfriar, pero al ocurrir esto disminuye la presión dentro del vaso y el agua penetra por debajo de sus bordes, impulsada por la presión del aire exterior.

6. ¿Cómo bebemos?

Acercamos el vaso o la cuchara que contiene el líquido a nuestros labios y "absorbemos" su contenido. Al beber, ensanchamos nuestra capacidad torácica y con ello enrarecemos el aire que tenemos en la boca. Al ocurrir esto, la presión del aire exterior hace que el líquido tienda a ocupar el espacio en que la presión es menor y, por consiguiente, entre en la boca. No bebemos sólo con la boca, sino también con los pulmones, ya que el ensanchamiento de los pulmones es la causa de que el líquido penetre en nuestra boca.

7. Un embudo mejorado

Cuando echamos liquido en una botella con un embudo, hay que levantarlo de vez en cuando, porque si no el liquido no entra. Ocurre, porque el aire que hay en la botella, al no encontrar salida, mantiene con su presión el líquido que se encuentra en el embudo y cuando levantamos el embudo, dejamos salir al exterior el aire comprimido y el líquido vuelve a entrar en la botella. Por todo esto el mejor embudo es el que en su parte estrecha tenga unos nervios longitudinales en la superficie exterior, que impidan que el embudo entre ajustado en el gollete.

8. Una tonelada de madera o una tonelada de hierro

¿Qué pesa más? La realidad es que pesa más una tonelada de madera. Consiste en que el principio de Arquímedes es aplicable, no sólo a los líquidos, sino también a los gases, todo cuerpo experimenta en el aire una "pérdida" de peso. Igual al peso del volumen de aire que desaloja. La madera y el hierro también experimentan esta pérdida de peso en el aire. para conocer el peso real de estos cuerpos habrá que añadirles esta pérdida. Pero una tonelada de madera ocupa un volumen mucho mayor que una tonelada de hierro por lo cual, el peso real de una tonelada de madera es mayor que el del hierro.

Fenómenos térmicos

1. Un emboquillado aleccionador

Sobre una caja de cerillas hay un cigarrillo emboquillado encendido. Sale humo por sus dos extremos. Pero el que sale por la boquilla fluye hacia abajo, mientras que el que lo hace por el otro extremo, se eleva. Esto ocurre porque en la parte encendida del cigarrillo existe una corriente ascendente de aire caliente que arrastra tras sí las partículas de humo. En cambio, el aire que pasa, junto con el humo, por la boquilla, tiene tiempo de enfriarse y no tiende hacia arriba; y como las partículas de humo son de por sí más pesadas que el aire, salen hacia abajo.

2. Un hielo que no funde en agua hirviendo.

Cogemos una probeta llena de agua y echamos en ella un trocito de hielo. Para evitar que el hielo flote, ponemos encima una bola de plomo o una pesita de cobre, pero procurando que el agua tenga libre acceso al hielo. Acercamos ahora la probeta a un mechero de alcohol, de tal forma, que la llama toque solamente la parte superior de la probeta. El agua no tardará en hervir y comenzará a desprender vapor. Pero, el hielo que hay en el fondo de la probeta no se funde.

La explicación se reduce a que, en el fondo de la probeta el agua, no sólo no hierve, sino que permanece fría. Hierve exclusivamente el agua que está arriba. Lo que tenemos no es, pues, «hielo en agua hirviendo», sino «hielo debajo de agua hirviendo».
El agua cuando se calienta, se dilata y se hace más ligera, por lo cual, no baja hacia el fondo, sino que se queda en la parte superior de la probeta.

3. Encima del hielo o debajo de él.

Si se coloca una vasija con agua sobre el hielo, se enfría únicamente la capa inferior del líquido, ya que la parte restante estará rodeada de aire no enfriado. Por el contrario, si colocamos un trozo de hielo encima de la tapadera de una vasija, el enfriamiento de su contenido será más rápido. En este caso, las capas superiores de líquido enfriado, descenderán para ocupar el sitio de las inferiores más calientes, las cuales se elevarán renovándose constantemente, hasta que se enfríe todo el líquido.