Divulgación y enseñanza de la ciencia

Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)

(PP-308-DC)Viendo bailar un Fluido no Newtoniano

Asesor: Verónica Padilla

Autor: XARENI MAYLEN ENRIQUEZ CIBRIAN

Resumen

El sonido, aunque no podamos notarlo a simple vista, se propaga en forma de ondas, que tienen una existencia material; de allí proviene la mística de la música.

Estas ondas en general son invisibles, pero a veces, podemos visualizarlas, cuando utilizamos un ecualizador, podemos ver su representación en una pantalla.

En este experimento, podrás transmitir las ondas del sonido sobre una sustancia multicolor, denominada fluido no newtoniano, que, por sus características permite observar la propagación de las ondas sonoras.

Pregunta de Investigación

¿Cómo podemos ver las ondas sonoras a través de un fluido?

Planteamiento del Problema

Las ondas sonoras son básicamente ondas longitudinales que al llegar a nuestro oído producen el efecto que nosotros conocemos como sonido. Tales ondas, comprendidas en el intervalo de frecuencia de entre 20 y 20.000 vibraciones por segundo, se denominan para simplificar ondas sonoras.

La música es un conjunto de sonidos y silencios, organizados de manera lógica, que se rige por una seria de leyes como la armonía, el ritmo y la melodía, haciendo uso de la sensibilidad que caracteriza al ser humano respecto a la emoción y percepción de elementos artísticos.

A los niños nos gusta mucho la música, a través de canciones aprendemos y nos divertimos; así que elegimos el tema porque nos agradaría descubrir ¿Cómo podemos ver las ondas sonoras a través de un fluido?.

Antecedentes

  • Las ondas sonoras. 1

Las ondas sonoras son básicamente ondas longitudinales que al llegar a nuestro oído producen el efecto que nosotros conocemos como sonido. Tales ondas, comprendidas en el intervalo de frecuencia de entre 20 y 20.000 vibraciones por segundo, se denominan para simplificar ondas sonoras.

La recepción de una onda sonora por el oído engendra una vibración de las partículas del aire situadas delante del tímpano, con frecuencias y amplitud determinadas. Esta vibración puede considerarse también como debida a las variaciones de presión del aire en el mismo punto. La presión del aire se eleva sobre la presión atmosférica y después se hace inferior a ella, siguiendo la ley de un movimiento armónico simple de la misma frecuencia que el de una partícula de aire. El máximo exceso de presión sobre la atmosférica se denomina amplitud de los cambios de presión, y se demuestra que es proporcional a la amplitud de la elongación.

Medidas efectuadas con las ondas sonoras indican que las máximas variaciones de presión en los sonidos más fuertes que puede tolerar el oído son del orden de 280 dinas/cm² (por encima y por debajo de la presión atmosférica, que es, aproximadamente, de 1.000.000 dinas/cm²). La elongación máxima correspondiente, para una frecuencia de 1000 vibraciones por segundo, es sensiblemente igual a la milésima de centímetro. Las amplitudes de la elongación, aun para los sonidos más fuertes, son, por lo tanto, extraordinariamente pequeñas.

Las variaciones máximas de presión en los sonidos más débiles, de frecuencia 1000 vibraciones por segundo, son solo alrededor de 2 x 10 a la menos cuatro dinas/cm². La amplitud de la elongación correspondiente es, aproximadamente de 10 a la menos 9 cm. A modo de comparación la longitud de onda de la luz amarilla es de 6 x 10 a la menos cinco cm, y el diámetro de una molécula es alrededor de de 10 a la menos ocho cm. Se observa, que el ojo es un órgano extraordinariamente sensible.

  • Intensidad de las Ondas Sonoras.

Desde un punto de vista puramente geométrico, lo que se propaga en un movimiento ondulatorio es la forma de la onda, sin embargo, desde el punto de vista físico, en una onda se propaga algo más, energía. El ejemplo más importante es, por supuesto, la energía suministrada a la tierra, que nos llega desde el sol por medio de las ondas electromagnéticas. La intensidad de una onda que se propaga se define como la cantidad media de energía transportada por la onda, por unidad de superficie y por unidad de tiempo, a través de una superficie perpendicular a la dirección de propagación. Mas brevemente, la intensidad es la potencia media transportada por unidad de superficie.

  • Niveles de intensidad de ruidos diversos.
  1. Umbral de la sensación desagradable – 120db, a partida de este nivel de intensidad ya comienza a ser molesto para el oído.
  2. Máquina remachadora – 95db
  3. Tren Elevado – 90db
  4. Calle de mucho trafico – 70db
  5. Conversación ordinaria – 65db
  6. Automóvil en marcha moderada 50db
  7. Radio funcionando moderadamente 40db
  8. Conversación en voz baja – 20db
  9. Murmullo de las hojas 10db
  10. Umbral de sensación sonora 0db
  • ¿Cómo son las ondas sonoras y las ondas acústicas?2

La Acústica es la parte de la ciencia que estudia la generación, transmisión y recepción de energía en forma de ondas vibratorias en la materia y el efecto que dicha energía pueda producir.

Una vibración es un movimiento, en general de pequeña amplitud, en el cual se produce un desplazamiento en torno a una determinada posición media de equilibrio. En este movimiento existe una fuerza, llamada recuperadora, que actúa sobre la partícula o el sistema, para llevarlo a su posición de equilibrio.

Una onda es una propagación de la variación de una determinada magnitud física a través del espacio, generada en un determinado lugar (foco emisor de la onda).

Sea cual sea la magnitud cuyo cambio se propaga, toda onda propaga energía. Una onda acústica es la propagación de una vibración en un determinado medio material. El sonido es una onda acústica capaz de producir una sensación auditiva. Por tanto, hay ondas acústicas que no son sonidos (infrasonidos y ultrasonidos) y una misma onda acústica puede ser un sonido para un ser vivo pero no para otro.

La Acústica Física estudia la causa (emisor o fuente sonora, vibración) y el medio de propagación de la onda, mientras que la Acústica Fisiológica estudia el efecto (receptor, percepción por el oído, el que genera la sensación auditiva en el cerebro).

Las propiedades básicas de una onda son:

  1.         Velocidad de propagación (m/s). Depende del tipo de onda y del medio de propagación.
  2.         Energía (J), potencia (W = J/s) e intensidad (W/m2) transportadas. Disminuyen con el avance de la onda.
  3.         Frecuencia (Hz).

Las ondas se pueden clasificar según:

  •         Dirección de variación de la magnitud física que propagan:

o    Longitudinal: la dirección de variación de la magnitud física propagada y la dirección de propagación de la onda coinciden. Caso de las ondas sonoras (figura 1).

o    Transversal: la dirección de variación de la magnitud física propagada y la dirección de propagación de la onda son perpendiculares. Caso de una cuerda al mover uno de sus extremos (figura 2).

o    Variación espacio-temporal (en toda onda hay variaciones de la magnitud física propagada):

o    Espacial: variación de un punto a otro del espacio.

o    Temporal: variación de un instante a otro.

o    Periódica: el desplazamiento se repite periódicamente con el tiempo.

o    Las armónicas (onda sinusoidal) son un tipo de ondas periódicas.

o    Compleja: El desplazamiento sigue una variación no periódica con el tiempo.

o    Frente de ondas (lugar geométrico de los puntos del espacio que tienen el mismo estado de perturbación):

o    Planas: la perturbación se propaga en una sola dirección (figura 3).

o    Esféricas: los frentes de ondas son esferas concéntricas (a gran distancia se ven como ondas planas). La perturbación se propaga por igual en todas las direcciones (figura 3).

o    Otras: los frentes no son ni planos ni esféricos. La propagación se realiza de manera diferente en cada dirección.

  • Propagación de Ondas3

El sonido está formado por ondas mecánicas elásticas longitudinales u ondas de compresión en un medio. Eso significa que:

  1. Para propagarse necesita acceder a un material (aire, agua, cuerpo sólido) que transmita la perturbación (viaja más rápido en los sólidos, luego en los líquidos va lento, y aún más lento en el aire, y en el vacío no se propaga). Es el propio medio el que produce y propicia la propagación de estas ondas con su compresión y expansión. Para que pueda comprimirse y expandirse es imprescindible que este sea un medio elástico,  ya que un cuerpo totalmente rígido no permite que las vibraciones se transmitan. Así pues, sin un medio elástico no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío.
  2. Además, los fluidos solo pueden transmitir movimientos ondulatorios en que la vibración de las partículas se da en dirección paralela a la velocidad de propagación a lo largo de la dirección de propagación. Así los gradientes de presión que acompañan a la propagación de una onda sonora se producen en la misma dirección de propagación  de la onda, siendo por tanto estas un tipo de ondas longitudinales  (en todos los sólidos también pueden propagarse ondas elásticas transversales).

El hercio (Hz) es la unidad que expresa la cantidad de vibraciones que emite una fuente sonora por unidad de tiempo (frecuencia). Se considera que el oído humano puede percibir ondas sonoras de frecuencias entre los 20 y los 20.000 Hz, si bien también se consideran rangos entre 16 Hz (aproximadamente la nota más grave de un órgano de iglesia: do0 = 16,25 Hz) y 16.000 Hz (o 16 kHz). Las ondas que poseen una frecuencia inferior a la audible se denominan infra sónicas y las superiores ultrasónicas.

  • La Música. 4

 La música es un conjunto de sonidos y silencios, organizados de manera lógica, que se rige por una serie de leyes como la armonía, el ritmo  y la melodía, haciendo uso de la sensibilidad que caracteriza al ser humano con respecto a la emoción y percepción de elementos artísticos.

Los resultados de las investigaciones muestran que la música es una poderosa forma de expresión social que puede reforzar los estereotipos y favorece la expresión de la propia identidad.

Pero más allá de los gustos musicales, está claro que la sensación de estar escuchando música de nuestro gusto es única e incluso indescriptible. La música nos hace sentir sensaciones increíbles y nos hace sentir diferentes emociones: alegría, éxtasis, felicidad, tristeza, amor…

 

  • Fluido 5

Se le denomina fluido a un tipo de medio continúo formado por alguna sustancia entre cuyas partículas solo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno, fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma “original” (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas).

Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propias. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).

Fluidos no Newtoneanos.6

Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constante, al contrario que los fluidos convencionales que siguen la mecánica newtoniana.

En los fluidos newtonianos la viscosidad puede describirse en función de la temperatura y la presión sin que intervengan otras fuerzas. En los fluidos no newtonianos, por el contrario, la viscosidad depende de la temperatura y de la fuerza cortante a la que esté sometido el fluido.

El agua es uno de los mejores ejemplos de fluido newtoniano; como fluidos no newtonianos podemos citar la miel, la sangre, numerosos tipos de geles y pinturas, etc.

Características

Un fluido no-newtoniano en reposo se comporta como un líquido mientras que si se somete a fuerzas de estrés aumenta su viscosidad. Si golpeas sobre la superficie de un fluido no newtoniano, el estrés introducido por la fuerza entrante hace que los átomos que componen el fluido se reorganicen aumentando la viscosidad, incluso hasta comportarse como un sólido por un instante. Tu mano no penetrará en el fluido.

Pero si vas introduciendo la mano en el fluido lentamente, sin embargo, podrás meterla en el fluido sin problemas. Y si la mano está dentro e intentas sacarla rápidamente, el fluido se volverá a comportar como un sólido y podrás sacar el fluido del contenedor junto a tu mano. A mayor fuerza aplicada mayor viscosidad. Este efecto suele durar sólo mientras la fuerza es aplicada.

Los fluidos no newtonianos, de puede agrupar en dos grandes categorías:6

1- Aquellos para los que la viscosidad cambia con la velocidad de deformación.

1.1 Dilatantes: son aquellos fluidos que aumentan su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación aplicada. Como ejemplo podríamos citar el almidón de maíz o las arenas movedizas

1.2 Pseudoplásticos: son aquellos fluidos que disminuyen su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación aplicada. Como ejemplo podríamos citar zumos de frutas y diversas emulsiones.

1.3 Viscoplásticos o de comportamiento plástico: Son materiales que se comportan como un sólido elástico hasta el esfuerzo alcanza un valor umbral, una vez alcanzado este valor pasan a comportarse como fluidos donde el esfuerzo puede tener una dependencia lineal con la velocidad de deformación o no. Ejemplo de este comportamiento son la pasta de dientes, la mermelada o la clara de huevo.

2- Aquellos para los cuales la viscosidad cambia con el tiempo durante el esfuerzo.

2.1 Tixotrópicos: Aquellos para los cuales la viscosidad disminuye con el tiempo. Este es el caso de pinturas o gelatinas. Experimentalmente es complicado ver la diferencia entre un fluido pseudoplástico y uno tixotópico, máxime cuando la mayoría de los fluidos tixotrópicos son pseudoplásticos.

2.2 Reopécticos: Aquellos para los cuales la viscosidad aumenta con el tiempo. Sería el caso del poliéster.

Objetivo

Elaborar un líquido no newtoniano para poder ver las ondas sonoras.

Justificación

La música nos agrada a la mayoría de los niños la podemos escuchar y sentir; pero no la podemos observar, cuando se escucha la música a altos niveles las ventanas vibran o si hay cosas sobre una superficie se ve que estas se mueven, es decir solo percibimos el movimiento de nuestro cuerpo, las paredes, los muebles y hasta los líquidos.

Así que nos gustaría conocer si hay alguna forma de poder ver las ondas sonoras a través de un medio de propagación como un fluido no newtoniano.

Hipótesis

Si logramos la elaboración de un líquido no newtoniano entonces podremos ver las ondas sonoras.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales

  • 3 cucharada de almidón de maíz (Maicena)
  • Agua para hacer la mezcla
  • Un Subwofer o bocina
  • MP3 o similar para conectar
  • Colorantes de diversos colores
  • Una bandeja o charola lisa
  • 1 Mortero y espatula

Procedimiento

1.Poner en un mortero unas cucharadas de maicena y agregar agua con el fin de hacer una papilla que, en un principio, parece bastante líquida.

2. Incorporarle un poco de colorante del color de preferencia.

3. Cubrir el subwoofer o bocina con un plástico.

4. Conectar el MP3 o similar al subwoofer con la canción elegida. Cuánta más marcha tenga, mejor (haz varias pruebas). El experimento funciona bien conectando el altavoz a 40 Hz, 50 Hz, y 63 Hz.

5. Añadir varias gotas de la mezcla de colores diversos sobre el plástico que se encuentra sobre el subwoofer o bocina; para que se pueda ver las ondas de sonido. La vibración de las ondas sonoras hace que la mezcla se mueva, las montañitas son el reflejo de esas ondas, es decir, las ondas de sonido salen a bailar. Si varían el volumen, a distintos Hz, las ondas son diferentes.

 

 

 

Galería Método

Resultados

1.Al mezclar la maicena y el agua se nota que cada vez te cuesta más mover el pilon o mano, es como si el almidón de maíz se estuviese transformando en cemento y si la velocidad aumenta cuesta más realizar la mezcla. Por lo tanto, para lograr la mezcla debe ser despacio y suave el movimiento.

2. Al golpear la mezcla no salpica ni se observa que se mueve. Se comporta más como si fuese un sólido que un líquido. Aunque si introducen las manos lentamente en el mortero, sí se impregnan y desliza entre los dedos.

3.Al colocar la mezcla en el plástico sobre el subwoofer o bocina y conectar la música, observamos que si la música es muy suave no se percibe movimiento; pero al cambiar de música e ir aumentando el volumen, la propagación y el movimiento ondulatorio de las ondas sonoras se contempla a simple vista y el bailar de un Fluido no Newtoniano se logra.

4. Por último, al colocar mezcla de dos colores distintos se combinan dando un nuevo color.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

El comportamiento del líquido se debe a que está clasificado dentro de los fluidos no  Newtonianos;  cuya  viscosidad disminuye al agitarlo, promoviendo el movimiento de las moléculas entre sí como sólido; pero tras pasar unos minutos quieto, la viscosidad vuelve a aumentar  y se comporta  como un líquido, puesto que las moléculas se separan si no se ejerce presión sobre ellas.

Así mismo, con la bocina, la música y la mezcla de colores se realiza el experimento de la propagación de las ondas sonoras a través de un fluido no newtoniano, y se logra el efecto Faraday.

Bibliografía

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography