Ciencias de la Ingeniería

Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)

PK-DC-223 TROMPO VOLADOR.

Asesor: MARIA ALEJANDRA ROMO SABUGAL

Resumen

El magnetismo es un fenómeno físico de atracción y repulsión de determinados metales e imanes. En física, el magnetismo se define como la fuerza de atracción de imanes que presentan un polo positivo y otro negativo, conocido como dipolo. De esta forma, la propiedad dipolo magnético, informa que los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen.

El níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones se encuentran entre algunos de los materiales que presentan propiedades magnéticas que son fácilmente observables, y comúnmente se llaman imanes. Estos materiales son ferromagnéticos e interactúan fuertemente con los campos magnéticos externos a la vez que generan un campo magnético propio. Esto permite la tan conocida repulsión y atracción entre los polos de los imanes.

 

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Pregunta de Investigación

¿Cómo puedo hacer que un trompo vuele?

Planteamiento del Problema

Un imán es un material que posee la capacidad de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro, y otros materiales, pero también de repelar otros cuerpos magnéticos.

Hoy por medio de un experimento utilizando imanes podré mostrar si estos son capaces de atraer otro cuerpo metálico y a su vez alejarlo de su entorno, haciendo volar un trompo.

Antecedentes

El magnetismo es un fenómeno físico de atracción y repulsión de determinados metales e imanes.

En física, el magnetismo se define como la fuerza de atracción de imanes que presentan un polo positivo y otro negativo, conocido como dipolo.

De esta forma, la propiedad dipolo magnético, informa que los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen.

El níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones se encuentran entre algunos de los materiales que presentan propiedades magnéticas que son fácilmente observables, y comúnmente se llaman imanes. Estos materiales son ferromagnéticos e interactúan fuertemente con los campos magnéticos externos a la vez que generan un campo magnético propio. Esto permite la tan conocida repulsión y atracción entre los polos de los imanes. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

El magnetismo terrestre se manifiesta en el efecto de la aguja imantada conocida en la brújula. El polo norte de la aguja imantada es su polo norte magnético. En el magnetismo, los polos opuestos se atraen, por lo tanto, la aguja es atraída por el polo sur magnético de la Tierra, que resulta ser el Polo Norte geográfico.

El magnetismo como fenómeno físico, permite estudiar cómo ciertos materiales poseen la capacidad de atraer o repeler a otros.

Esto es observable en los imanes que son capaces de atraer materiales ferromagnéticos (hierro, acero, níquel, etc.) y repeler otros como resultado de la distribución de los electrones que forman el imán.

Se conoce como imán al mineral de hierro de color negruzco, opaco, que tiene la propiedad de atraer el hierro, el acero y otros cuerpos en menor medida. La palabra imán es de origen fránces “aimant”.

El imán es un material que posee la capacidad de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro, y otros como cobalto, níquel, aluminio, etcétera, pero también de repelar otros cuerpos magnéticos.

En vista de su función, en el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas en función de los electrones que contienen los átomos, y cada una de ellas forma un pequeño imán. En este sentido, los imanes deben alinearse para actuar como un único imán, y de esta manera poder magnetizar o imanar la sustancia, ya que de lo contrario no produce efectos.

 

En el año 1820, fue el físico y químico danés Oersted que evidenció por primera vez, el proceso identificado anteriormente, es decir, que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor.

En relación a lo anterior, un imán puede perder su propiedad de imantación invirtiendo el sentido de la corriente, o a través de la aplicación de elevadas temperaturas. En este sentido, todo imán está formado por las siguientes partes:

  • Eje magnético, barra que une los dos polos.
  • Línea neutral, ubicada en la superficie de la barra que separa las dos zonas polarizadas.
  • Polos, extremos del imán donde se ubica la mayor fuerza de atracción. Estos polos son: el norte y sur. Polos iguales se repelen y diferentes se atraen.

Imán natural y artificial

El imán natural, se refiere a los minerales naturales que tienen la característica de atraer elementos como el hierro, níquel, entre otros. Por ejemplo: la magnetita, mineral compuesto por óxido ferroso férrico que tiene la particularidad de atraer fragmentos de hierro natural.

Por su parte, el imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético que tras friccionarlos con magnetita, posee la propiedad del magnetismo.

Imán temporal y permanente

El imán temporal, conocido como electroimán, conformado por hierro dulce que se caracteriza por poseer una atracción magnética, el cual cese sus propiedades una vez que termina la causa que provoca el magnetismo. Por otro lado, el imán permanente es aquel que es constituido por acero, y conserva su propiedad magnética por un tiempo perdurable.

Polos magnéticos

Si se trata tanto de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. No existen polos aislados y, por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque la fuerza de atracción del imán disminuye.

Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro.

Polaridad de un imán.

Para determinar los polos de un imán se considera la tendencia de este a orientarse según los polos magnéticos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural: el polo norte del imán se orienta hacia el polo sur magnético (ubicado próximo al polo Norte geográfico), que en un sentido estrictamente magnético es un polo sur. El polo sur de un imán se orienta hacia el polo norte magnético (ubicado próximo al polo Sur geográfico), que en un sentido estrictamente magnético es un polo norte.

De manera práctica, para determinar qué polo de un imán es el norte y cual es el sur, no es necesario usar el campo magnético de la Tierra. Por ejemplo, un método consiste en comparar el imán con un electroimán, cuyos polos se pueden identificar usando la regla de la mano derecha. Las líneas de campo magnético, por convención, emergen desde el polo norte de un imán y entran por el polo sur.

El ángulo comprendido entre el norte magnético local, indicado por una brújula, y el norte verdadero (o norte geográfico) se denomina declinación magnética.

Se llama campo magnético a un espacio en la cual tienen lugar fenómenos magnéticos debido a la influencia de un cuerpo con propiedades magnéticas, sea el caso de un imán o un material ferromagnético imantado.

El campo magnético en la física se define también como una magnitud vectorial que da cuenta de la intensidad magnética, es decir, que expresa el fenómeno de la atracción entre un imán y determinados materiales (cobalto y hierro). Dichos imanes pueden ser de diferentes tipos de materiales, y tienen siempre un polo norte y un polo sur.

El campo magnético no se trata de la fuerza en sí sino de un espacio en el que esa fuerza se ejerce como resultado del movimiento de cargas eléctricas. En él actúan fuerzas sobre partículas cargadas en movimiento, lo que le da su carácter vectorial.

El campo magnético se representa por el trazado de unas líneas imaginarias, las cuales reciben el nombre de líneas de fuerza magnética o líneas del campo magnético.

Historia del magnetismo
Tales de Mileto, filósofo, físico y matemático griego (623 a.C. – 558 a.C.) fue quien observó la atracción del imán natural, la magnetita con el hierro.

La palabra magnetismo se originó en el nombre de la ciudad de Magnesia del Meandro, cerca de Mileto, en Asia Menor, donde por primera vez se observaron los fenómenos de atracción que producían los imanes naturales.

El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckam fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en 1187.

Peter Peregrinus de Maricourt, fue un estudioso francés del siglo XIII que realizó experimentos sobre magnetismo y escribió el primer tratado existente para las propiedades de imanes. El cosmógrafo español Martín Cortés de Albacar, formado en Zaragoza y en la escuela de pilotos de Cádiz, descubrió y situó el polo magnético en Groenlandia en 1551 para los navegantes españoles e ingleses facilitando así considerablemente la navegación. Galileo Galilei y su amigo Francesco Sagredo se interesaron en el magnetismo engastando un buen trozo de roca magnética de más de kilo y medio en un bello artilugio de madera.​ En 1600 el médico y físico William Gilbert publicó en Londres su obra  “Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán la Tierra”, que estableció las bases del estudio profundo del magnetismo.

El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes hasta que en 1820 Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial,​ en el proceso mostró que los campos eléctricos y magnéticos son dos caras de la misma moneda, el tensor de campo electromagnético.

La levitación magnética estabilizada por giro es un fenómeno de levitación magnética mediante el cual un imán giratorio o una matriz de imanes levita a través de fuerzas magnéticas sobre otro imán o matriz de imanes, y se estabiliza mediante un efecto giroscópico debido a un giro que no es ni demasiado rápido ni demasiado lento para permitir una precesión necesaria.

El fenómeno fue descubierto originalmente por el inventor de Vermont Roy M. Harrigan en la década de 1970. El 3 de mayo de 1983, Harrigan recibió una patente de Estados Unidos para su dispositivo de levitación original basado en este fenómeno que descubrió. Independiente de Harrigan, un inventor de Pensilvania llamado Joseph Chieffo hizo el mismo descubrimiento en 1984 empleando un imán de base plana, una geometría que demostró ser un avance significativo sobre el diseño de base abombada de su predecesor.

Ahora bien, un trompo es un juguete que explota el principio de energía mínima y el concepto de equilibrio inestable que significa que cuando una vez que cesa la fuerza que le produjo un movimiento, no puede retornar a su posición de equilibrio.

Objetivo

Saber si un trompo puede flotar mediante un campo magnético al utilizar un imán.

Justificación

Me interesa conocer como los campos magnéticos que ejercen los imanes pueden mantener a flote un trompo mediante la atracción y repelencia.

Hipótesis

El magnetismo es un fenómeno físico de atracción y repulsión de determinados metales e imanes, entonces, si coloco dos imanes juntos generarían una fuerza magnética mayor, por lo tanto, podrían repeler un cuerpo dentro de su entorno haciéndolo flotar por acción únicamente de un campo magnético; es decir, que la presión magnética se contrapone a la gravedad, siempre y cuando el campo magnético sea lo suficientemente fuerte.

 

Método (materiales y procedimiento)

MATERIALES.

Para el trompo:

  • Anillo magnético de neodimio.
  • Corcho.
  • Taquete de plástico.
  • Papel de lija.
  • Regla.
  • Pegamento en barra para papel.
  • Diversas rondanas de metal y de plástico con diferentes diámetros.

Para la base:

  • Imán redondo de base de ferrita.
  • Caja de zapatos
  • Fundas de CD (vacías)

Herramientas necesarias:

  • Cutter.
  • Broca para madera.
  • Compás.
  • Nivel de línea.

PROCEDIMIENTO.

Elaboración del trompo:

Paso 1.

Con la ayuda de un adulto cortar un trozo de corcho de 5 mm de grosor con el cutter.

Paso 2.

Colocar el anillo magnético de neodimio sobre el corcho y dibujar el diámetro interior y el centro con un lápiz, un compás puede resultar de utilidad.

Paso 3.

Con la ayuda de un adulto, hacer un agujero en el centro del corcho con la broca.

Paso 4.

Con ayuda de un adulto, cortar el corcho con el cutter de acuerdo con el tamaño marcado. El corcho no debería pesar más de 0,4 gramos.

Paso 5.

Pegar el disco de corcho y el anillo magnético con el pegamento en barra.

Paso 6.

Redondear un extremo del taquete con el papel de lija, este deberá pesar 0.7 gramos. Este extremo será la punta del trompo.

Paso 7.

Introducir con cuidado el tornillo en el disco de corcho.

Paso 8.

El peso del trompo debe adecuarse al grosor de la base redonda. En caso necesario, el trompo se puede hacer más pesado pegando discos o rondanas de plástico o de metal.

Elaboración de la base:

Paso 1.

Preparar una superficie lo más plana posible, comprobar con el nivel de línea.

Paso 2.

Apoyar la caja de zapatos sobre 5 fundas de CD a la izquierda y cinco a la derecha.

Paso 3.

Colocar el imán de ferrita debajo de la caja.

Ahora bien, ya que tenemos los materiales, como último paso, procedemos a mover el trompo magnético en el interior de la caja de cartón, y cuando el trompo gire de manera óptima, se retira lentamente, y con cuidado, la caja de cartón evitando tocar el trompo.

Galería Método

Resultados

Cuando coloqué el trompo magnético dentro de la caja lo giré, sintiendo la fuerza de los dos campos magnéticos combinados, es decir, el de la parte superior e inferior. El trompo intento escapar hacia un lado, pero lo sostuve con firmeza y lo seguí moviendo hasta que se atrajo por la base y ese es el punto de inicio adecuado para el trompo se haga girar enérgicamente, cuando el trompo giro de manera óptima, en ese momento retiré, lentamente y con cuidado, la caja de cartón evitando tocar el trompo para no moverlo de su eje y con ello siguiera flotando sin caerse.

Cabe hacer mención que para que el trompo flote o vuele en el aire se necesita poner en práctica nuestras habilidades manuales, ya que se debe realizar con paciencia y con cuidado. Asimismo, me di cuenta que, si no funciona, es decir, si no gira el trompo o no se eleva, se puede solucionar de la siguiente manera:

·       El trompo no gira: dos imanes se encuentran muy cerca el uno del otro; la caja de cartón se debe situar en una posición ligeramente más elevada.

·       El trompo no se eleva: dos imanes se encuentran muy lejos el uno del otro; la caja de cartón se debe situar en una posición ligeramente más baja.

·       El trompo no se eleva y gira hacia un lado: la base de ferrita, que esta situada en la parte inferior, no está completamente recta; se deben introducir pequeñas cuñas de madera por debajo para compensar la recta.

·       El trompo se eleva, pero luego se desliza hacia un lado y se cae: el trompo es demasiado ligero; se deben colocar discos de plástico o de metal adicionales mediante cinta adhesiva o pegamento en barra para que tenga mayor peso.

Es importante recalcar que no fue nada fácil y requerí muchos intentos hasta conseguir que el trompo flotara con estabilidad.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Se sabe que dos imanes colocados uno cerca del otro pueden repelerse o atraerse entre sí, en funcionamiento a la orientación de sus polos. El par de imanes, como todos los sistemas naturales, tiende a dejarse llevar en equilibrio basado en el principio de energía mínima: los imanes esencialmente se autoajustan para buscar un estado de equilibrio caracterizado por la menor energía posible.

Un trompo es un juguete que explota el principio de energía mínima y el concepto de equilibrio inestable que significa que cuando una vez que cesa la fuerza que le produjo un movimiento, no puede retornar a su posición de equilibrio.

El sistema del trompo volador consta de dos partes: un trompo hecho con un imán y una base magnética de dimensiones de masa superior, y al ser combinados adecuadamente los campos magnéticos de la parte superior y la base, pueden superar la fuerza de la gravedad (siempre que los dos imanes sean lo suficientemente fuertes) y suspenderse en la parte superior, es decir, está en el aire.

Entonces, como el trompo gira alrededor de su propio eje, genera un momento angular que mantiene el sistema en equilibrio, frente a perturbaciones externas, en este caso la perturbación es precisamente el momento magnético, cuyo efecto se reduce por la rotación del trompo que, por lo tanto, no cae hacia un lado y permanece finalmente suspendido en el aire.

Bibliografía

BIBLIOGRAFIA.

  • Física conceptos y aplicaciones.

5ª. Edición Tippens

Mc Graw Hill

  • Diccionario didáctico avanzado

C/m

Expertos en diccionarios escolares.

  • Enciclopedia temática auto evaluativa, física, química y tecnología.

Reymo.

  • www.wikipedia.org
  • www.significados.com

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography