Esto es Física

Proyecto de divulgación de la Física realizado desde todos los departamentos didácticos del IES Valle del Saja

http://www.fqsaja.com/?portfolio_page=esto-es-fisica-documental

El Departamento de Física y Química del IES Valle del Saja publicaba recientemente este trabajo que desarrolla un proyecto de divulgación de la Física realizado desde todos sus departamentos didácticos.

Un documental en el que, a partir de una idea propia de cada materia, se trata de buscar la conexión con la Física a través de una reflexión o de un experimento.

En esta entrada recorremos las 16 experiencias seleccionadas, aportando en algunos casos nuestro granito de arena.

Pincha aquí si quieres ver el documental completo

Índice

1. Lengua española PRESIÓN

El que mucho abarca, poco aprieta.

La presión, $p$, es una magnitud escalar que relaciona la fuerza $F$ (ejercida perpendicularmente) con la superficie $S$ sobre la que actúa:

$$ p = \frac{F}{S}, $$

lo que nos permite explicar el famoso refrán, pues efectivamente a mayor superficie, menor es la presión ejercida.

Aprende más sobre el concepto de presión con nuestros apuntes de fluidos para 4.º ESO.

2. Inglés DISPERSIÓN

En este capítulo se nos presenta la importante diferencia entre la dispersión refractiva, como la que ocurre en un prisma o en las gotas de agua para formar el arcoíris; y la dispersión de Rayleigh, que nos permite explicar por qué vemos el cielo azul.

Aprende más sobre la reflexión y la refracción de la luz con esta excelente simulación:

3. Filosofía HORROR VACUI

Este capítulo explora el concepto del vacío y sus efectos en la ebullición de líquidos, la expansión de gases o la caída de graves1.

Aprende más sobre cómo el experimento de Torricelli o los hemisferios de Magdeburgo nos ayudaron a entender mejor el concepto de vacío, con nuestros apuntes de fluidos para 4.º ESO.
¿Sabes que horror vacui es también el título de un podcast?

El propio Departamento de Física y Química del IES Valle del Saja, junto con algunos/as amigos/as y docentes de Secundaria, tiene un podcast titulado precisamente Horror vacui, mediante el que, de momento, han hecho su particular homenaje a los 50 años del viaje a la Luna.

Disponible en Spotify:

y en Ivoox:

4. Música TIMBRE

Este capítulo detalla la importancia del timbre, esa cualidad del sonido que nos permite distinguir un instrumento musical de otro gracias a su característico espectro (intensidad relativa de sus distintos armónicos).

Aprende más sobre la relación entre la música y la física con esta magnífica entrada de blog de la mano de Manuel Alonso Orts.

5. Dibujo ELIPSES

Este capítulo trata sobre las secciones cónicas y, en particular, la elipse y su importancia en Física:

Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Conic_Sections.svg.
Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Conic_Sections.svg.

Aprende más sobre gravedad y órbitas, el Sistema Solar o las leyes de Kepler con las siguientes simulaciones de PhET Colorado:

6. Educación Física EQUILIBRIO

Capítulo dedicado al equilibrio y sus tres tipos según su definición basada en la energía potencial: estable, inestable e indiferente ( o neutro):

Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types-of-stability.svg.
Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types-of-stability.svg.

Aprende más sobre la ley del equilibrio con esta excelente simulación:

7. Latín/griego BRAQUISTÓCRONA

Este capítulo nos presenta el famoso problema de encontrar la curva que minimiza el tiempo de caída de un objeto entre dos puntos no alineados, bajo la única influencia de la gravedad (sin rozamiento). Esta curva recibe el nombre de braquistócrona, que fue uno de los primeros problemas planteados en el cálculo de variaciones, siendo resuelto por Newton en 1697.

El tiempo que se tarda en viajar de un punto $P_1$ a otro $P_2$ viene dado por la integral:

$$ t_{12} = \int_{P_1}^{P_2} \frac{\mathrm d s}{v}, $$

donde $s$ es la longitud del arco y $v$ la velocidad, la cual puede relacionarse con $y$ utilizando la conservación de la energía mecánica (recordemos que solo actúa la gravedad que es una fuerza conservativa):

$$ \frac{1}{2}mv^2 = mgy \Rightarrow v = \sqrt{2gy} $$

Notamos también que:

$$ \mathrm d s = \sqrt{\mathrm d x^2 + \mathrm d y^2} = \sqrt{1+y'^2}\,\mathrm d x, $$

por lo que podemos escribir el tiempo $t_{12}$ como:

$$ t_{12} = \int_{P_1}^{P_2} \sqrt{\frac{1+y'^2}{2gy}}\,\mathrm d x $$

Tras un poco de cálculo basado en la ecuación de Euler-Lagrange2, se llega a una solución en términos de ecuaciones paramétricas3:

$$ \begin{aligned} x &= \frac{1}{2}k^2 (\theta-\sin\theta) \\ y &= \frac{1}{2}k^2 (1-\cos\theta) \end{aligned} $$

que resultan ser las ecuaciones de una cicloide ($k$ es una constante positiva).

Puede demostrarse que la curva braquistócrona se trata también de una curva tautócrona o isócrona, lo que significa que el tiempo que tarda el objeto en llegar hasta su punto más bajo es independiente de su punto de partida:

Aquí, cuatro puntos en posiciones diferentes alcanzan el fondo al mismo tiempo. En el gráfico, *s* representa la longitud del arco, *t* representa el tiempo y las flechas azules representan la aceleración a lo largo de la trayectoria. A medida que los puntos alcanzan la horizontal, la velocidad se hace constante, siendo la longitud de arco lineal al tiempo. Código fuente (Python) para generar la animación [aquí](tautocrona.py), adaptado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tautochrone_curve.gif.
Aquí, cuatro puntos en posiciones diferentes alcanzan el fondo al mismo tiempo. En el gráfico, s representa la longitud del arco, t representa el tiempo y las flechas azules representan la aceleración a lo largo de la trayectoria. A medida que los puntos alcanzan la horizontal, la velocidad se hace constante, siendo la longitud de arco lineal al tiempo. Código fuente (Python) para generar la animación aquí, adaptado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tautochrone_curve.gif.

8. Matemáticas TRIGONOMETRÍA

En este capítulo se nos muestra cómo distintos fenómenos cotidianos, como las oscilaciones de un péndulo:

o las vibraciones de una cuerda atada por los dos extremos:

involucran funciones trigonométricas, haciendo hincapié en la función seno.

Aprende más sobre el movimiento armónico simple (MAS) con nuestros apuntes para 2.º Bach.

9. Francés PASCAL

En este cortometraje-documental del propio Departamento de Física y Química del IES Valle del Sajase somete a diversas revisiones el controvertido experimento conocido como tonel de Pascal”, ideado por el propio Pascal para demostrar de forma definitiva el principio que lleva su nombre:

Además, con esta simulación puedes comprobar cómo la presión que ejerce un fluido depende únicamente de la profundidad a la que nos encontremos, algo que se conoce como la paradoja hidrostática:

Aprende más sobre la paradoja hidrostática y el principio de Pascal con nuestros apuntes de fluidos para 4.º ESO.

10. Tecnología ÓPTICA

Aprende a explicar cómo se forma una imagen mediante una lente convergente/divergente o un espejo utilizando diagramas de rayos, gracias a esta excelente simulación:

11. Orientación MAGNETISMO

Este capítulo nos recuerda la experiencia de Ørsted, que demostró que las corrientes eléctricas crean campos magnéticos:

Una corriente eléctrica desvía una aguja imantada. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oersted_experiment.png.
Una corriente eléctrica desvía una aguja imantada. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oersted_experiment.png.

12. Economía ELECTRICIDAD

En este caso se nos presenta la experiencia de Faraday-Henry, que demostró que los campos magnéticos pueden crear corrientes eléctricas:

Al acercar un imán a una espira en esta se origina una corriente que invierte su sentido cuando el imán se aleja. Adaptada de https://www.chegg.com/learn/topic/faradays-experiment.
Al acercar un imán a una espira en esta se origina una corriente que invierte su sentido cuando el imán se aleja. Adaptada de https://www.chegg.com/learn/topic/faradays-experiment.

Puedes aprender más jugando con esta simulación:

Ambas experiencias (Ørsted y Faraday-Henry) pusieron de manifiesto la estrecha relación que existe entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, dando origen al electromagnetismo.

13. Geografía CAMBIO CLIMÁTICO

Manuel Alonso Orts escribía recientemente esta magnífica entrada de blog, donde discute los motivos por los que está subiendo el nivel del mar.

Aprende más sobre el principio de Arquímedes con nuestros apuntes de fluidos para 4.º ESO.

14. Física PÉNDULO DE NEWTON

Este capítulo explora el conocido como péndulo o cuna de Newton, dispositivo que demuestra la conservación del momento lineal y la conservación de la energía con esferas oscilantes:

https://iconspng.com/image/98970/newtons-cradle
https://iconspng.com/image/98970/newtons-cradle

Fue diseñado por el físico francés del siglo XVII Edme Mariotte y, en sus Principia, el propio Isaac Newton menciona los experimentos realizados por el físico francés.

Aprende más sobre colisiones con este excelente laboratorio virtual:

15. Química BUZO DE DESCARTES

Este capítulo nos presenta el conocido como buzo de Descartes, un dispositivo que pone en juego hasta 4 leyes de la Física: el principio de Arquímedes (flotabilidad), el principio de Pascal, la ley de Boyle (gases ideales) y la ley fundamental de la dinámica (segunda ley de Newton).

Principio de funcionamiento de un buzo cartesiano fabricado con una pajita, un clip y una botella de plástico. 1. El aire atrapado en la pajita hace que el buzo tenga una ligera flotabilidad, por lo que flota. 2. Al apretar la botella, aumenta la presión del agua; al contraerse la burbuja, aumenta la densidad del buzo y este se hunde. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cartesian_diver.svg.
Principio de funcionamiento de un buzo cartesiano fabricado con una pajita, un clip y una botella de plástico. 1. El aire atrapado en la pajita hace que el buzo tenga una ligera flotabilidad, por lo que flota. 2. Al apretar la botella, aumenta la presión del agua; al contraerse la burbuja, aumenta la densidad del buzo y este se hunde. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cartesian_diver.svg.
En este artículo, el profesor de la Universidad de Cantabria, Julio Güémez, presenta un modelo del buzo de Descartes basado en el principio de Arquímedes, el principio de Pascal y la ley de Boyle, poniendo en evidencia la profundidad de no retorno a partir de la cual el buzo es incapaz de volver a la superficie.

16. Biología ROBERT HOOKE

Este capítulo trata sobre la figura de Robert Hooke y, en especial, su famosa ley de la elasticidad, que relaciona el alargamiento o elongación, $\Delta l$, que sufre un muelle o resorte bajo la acción de una cierta fuerza $F$:

$$ F = k\cdot \Delta l, $$

donde $k$ es la llamada constante de elasticidad del muelle. Como se puede ver en la figura, el alargamiento sufrido por el muelle es proporcional a la fuerza ejercida sobre él.

Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dinam%C3%B3metro_de_resorte.svg.
Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dinam%C3%B3metro_de_resorte.svg.

Puedes aprender más sobre masas, resortes y la ley de Hooke con las siguientes simulaciones:


  1. En este impresionante vídeo, Brian Cox nos enseña qué ocurre cuando una bola de bolos y una pluma se dejan caer juntas en las condiciones del espacio exterior (vacío):

     ↩︎

  2. Debido a que la función a variar no depende explícitamente de $x$, se puede utilizar la identidad de Beltrami↩︎

  3. Si se incluye fricción, la solución se complica bastante, pero puede probarse que en este caso viene dada por las ecuaciones:

    $$ \begin{aligned} x &= \frac{1}{2}k^2 [(\theta-\sin\theta)+\mu(1-\cos\theta)] \\ y &= \frac{1}{2}k^2 [(1-\cos\theta)+\mu(\theta+\sin\theta)] \end{aligned} $$ ↩︎
Rodrigo Alcaraz de la Osa
Rodrigo Alcaraz de la Osa
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Soy Doctor en Física y Profesor de Física y Química en el IES Peñacastillo de Cantabria (España).

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