Monthly Archive febrero 2016

PorRafa Mata

Nuestra alumna Patricia Chamorro ha sido seleccionada para la FERIA EXPERIMENTA 2016

Nuestra alumna Patricia Chamorro ha presentado un proyecto de Física a la FERIA EXPERIMENTA de este año 2016. Recientemente, le han comunicado que el proyecto ha sido aceptado. Desde THE DOCTOR ACADEMY te deseamos mucha suerte y esperamos que sobre todo te lo pases muy bien. Aquí os dejamos el proyecto por la cual ha sido admitida.

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1.    Resumen breve del proyecto y objetivos

La finalidad de este trabajo es reproducir un experimento científico realizado en el año 2008 en la Universidad de California [1] que trata sobre la producción y detección de fotones de alta energía (rayos X) mediante la ruptura de las moléculas que forman el pegamento usado en el celo convencional. En ocasiones y bajo ciertas condiciones de temperatura y humedad, se ha observado que al desenrollar continuamente un rollo de celo aparecen pequeños destellos de luz. Esto es debido al efecto de la triboluminiscencia. La triboluminiscencia se entiende como la emisión de luz subsecuente a la deformación o a la fractura vía mecánica o térmica [2]. Como objetivo de este trabajo se intentarán producir destellos (fotones) de luz visible para el ojo humano debido a la liberación de energía proveniente de la ruptura de los enlaces moleculares de la composición del pegamento que hay en el celo convencional. Finalmente, en una parte más ambiciosa intentaremos observar los rayos-X utilizando materiales fosforescentes. Para entender este proceso, inicialmente se presentarán varios experimentos donde estudiaremos la carga electrostática de la materia y en particular, como se cargan electrostáticamente las cintas de celo al despegarse [3]. Adicionalmente, fabricaremos un electroscopio [4] para determinar la carga de las cintas con materiales conocidos.

2.    Material y montaje (Incluir alguna figura, esquema o fotografía del montaje de resolución medio-baja)

El material utilizado será el siguiente:

1.     Un compartimento que hará de función de cámara de vacío.

2.     Una bomba para hinchar colchones de lona.

3.     Tubería flexible para conectar el compartimento metálico.

4.     Placa de metacrilato para observar el interior de la cámara de vacío.

5.     Soportes para motores.

6.     Motor eléctrico, cableado y sistema de alimentación.

7.     Cintas de celo comercial.

8.     Placa fosforescente de un tubo luminoso.

9.     Caja para crear un ambiente oscuro y facilitar la observación de fotones visibles debido a la triboluminiscencia.

10.   Varillas y telas de varios materiales metálicos y aislantes.

11.   Botes de cristal y papel de aluminio.

En la figura 1 se muestra: a la izquierda, el esquema de un electroscopio extraído de [4]; y a la derecha, un esquema del experimento de triboluminiscencia señalando las distintas partes de los componentes que forman el experimento.

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Figura 1. Esquema del experimento. A la izquierda un electroscopio extraído de [4]. A la derecha el montaje para observar la triboluminiscencia.

3.    Fundamentación : Principios físicos involucrados y su relación con aplicaciones tecnológicas

Principios físicos involucrados: triboluminiscencia, conservación de la energía, conservación de la carga, espectro electromagnético, ondas, fuerza y trabajo, deformación mecánica, presión y vacío [2-5].

La materia en su estado natural es neutra, pudiendo cargarse positiva o negativamente si se frota sobre algo o se aplica cierta energía sobre ella. De todos es sabidos que frotando un bolígrafo de plástico con el jersey se pueden atraer pequeños trozos de papel, dado que el plástico se queda cargado con un exceso de electrones al frotarlo con lana o algodón [3]. Si hablamos de moléculas y las partimos, lo más probable es que parte se quedará cargada (+) y parte (-). Además, en el proceso de ruptura puede liberarse energía en forma de fotones (paquetes de energía sin masa) a causa de que la partes ionizadas se encuentren a menor energía que estando unidas. Algunos trabajos recientes han demostrado que la ruptura mecánica de las moléculas de pegamento que tienen los rollos de celo producen fotones altamente energéticos (en el rango de los rayos-X) al desenrollarlos. A la izquierda de la figura 2 se observa como los rayos-X se detectan en una placa fotosensible. En la parte de recha de la figura, se demuestra que son rayos X al imprimir una radiografía de un dedo humano sobre una placa radiológica de dentista [1].

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Figura 2. Fotones visites producidos por el efecto de la triboluminiscencia. Imagen extraída de [1].

Hoy en día, la variedad de aplicaciones que tienen los rayos-X en la tecnología y medicina actual son inmensas. Detectores de metales en los aeropuertos y lugares públicos, aplicaciones en técnicas de análisis y radiografías de partes humanas, son algunos de los ejemplos.

4.    Funcionamiento y Resultados: observaciones y medidas.

En primer lugar, se realizará un experimento con cintas de celo en el cual se cargarán electrostáticamente despegándolas de una superficie común. Con ellas se comprobará como cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen. El electroscopio, previamente cargado con cargas conocidas, se utilizará para determinar el signo de la carga de las cintas de celo cargadas.

La segunda parte del experimento se mostrará dentro de una caja negra que evitará que moleste la luz solar. En ella se colocará el compartimento metálico que hará de cámara de vacío. Dentro del cual irá instalado todo el sistema mecánico. El vacío se producirá con un motor de hinchar colchonetas. La parte superior de la cámara de vacío estará formada por una placa de metacrilato para poder ver el interior. En la cámara de vacío se diseñará un sistema mecánico provisto de un motor y rodamientos que desenrolle continuamente el celo. Cuando se produzcan fotones de alta energía, estos colisionarán con los materiales fosforescentes del interior de un tubo luminoso y producirán fotones visibles. Con este mecanismo intentaremos detectar también fotones en el rango de los rayos-X. Las fotos de la figura 2 están extraídas de la referencia [1], pero nosotros pretendemos producir el mismo efecto para que se aprecie de forma visible con una tecnología rudimentaria.

5.    Conclusiones

En este trabajo demostraremos la carga electrostática de la materia producida por fricción. Seguidamente, determinaremos el signo de la carga e intentaremos calcular su magnitud con un electroscopio. Además, se desarrollará un sistema para producir vacío con utensilios cotidianos. Dentro de la cavidad a baja presión se diseñará un sistema motorizado para desenrollar una cinta de celo de forma continua. Esperamos que la ruptura de las moléculas de pegamento produzcan fotones de alta energía (proceso físico conocido como triboluminiscencia). Con nuestro sistema pretendemos observar fotones de alta energía (rayos-X) a través de la luz generada en el rango del visible tras la excitación y posterior desexcitación del material fosforescente del interior de un trozo de tubo luminoso.

6.    Bibliografía

[1] Carlos G. Camara, Juan V. Escobar, Jonathan R. Hird & Seth J. Putterman, Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape, NATURE, Vol 455, 23 October 2008.

[2] https://es.wikipedia.org/wiki/Triboluminiscencia.

[3] http://fisicademos.blogs.uv.es/files/2013/10/demo13.pdf.

[4] https://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio.

[5] Libro de Física y Química de 4º de ESO. Editorial SM, 2008.

PorRafa Mata

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PorRafa Mata

ONDAS GRAVITACIONALES

Desde hace dos semanas he estado explicando a mis alumnos de segundo de bachiller el tema de ondas. Que casualidad que hoy mismo, a las 16:30 horas, han anunciado la primera vez que se han observado las ondas gravitacionales.

La onda, tal y como se define en los cursos de bachiller, son perturbaciones del medio que transportan energía pero no materia. Pues bien, Einstein predijo hace 100 años mediante su Teoría de la Relatividad de Einstein que el espacio-tiempo también puede ser perturbado produciendo ondas gravitacionales que viajan a través de él. Stephen Hawking, también predijo que la colisión de dos agujeros negros perturbaría el espacio-tiempo produciendo ondas gravitatorias. Incluso, la creación del Universo en el Big Ban produjo ondas gravitacionales que siguen viajando por el espacio.

Dada la baja energía y la inmensa longitud de onda (pudiendo llegar a tener la misma longitud que una galaxia) son extremadamente difíciles de detectar con al tecnología actual. LIGO (Laser Interferometer Graivational-wave Observatory) ha sido el primer experimento en el cual se han podido detectar. LIGO es un interferómetro basado en dos instalaciones idénticas, una en Luisiana y otra en Washintong, separadas 3000 km que consisten en dos láseres instalados en forma de L, donde cada brazo de la L tiene 4 km. Si una onda gravitacional llegase a la Tierra, modificaría la diferencia de fase en la interferencia de los láseres de los brazos de la L. ¡La resolución del sistema es de la diez milésima parte del tamaño de un átomo!, ¡y en los dos sistemas han detectado lo mismo para evitar falsos positivos!

Hoy he dedicado 10 minutos de clase ha explicárselo a mis alumnos. ¡Ha sido increible! Aquí os dejo un video de lo ocurrido.

PorRafa Mata

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PorRafa Mata

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