Práctica 11: La flexión de una regla

¿Cómo afecta el peso que se aplica a una tira de plástico a su grado de flexión?

INTRODUCCIÓN

La flexibilidad es la capacidad que posee un objeto o una persona para doblarse sin que se rompa. Existen muchos tipos de flexibilidad, como la muscular, la laboral o la mecánica. En el caso de este trabajo, vamos a basarnos en esta última. La flexibilidad mecánica es la capacidad de algunos materiales sólidos para deformarse y luego volver a su posición original. Esta deformidad está condicionada por varios factores, como el material con el que está hecho el objeto, la longitud y el grosor del mismo o la fuerza que se le aplica, que es el factor que vamos a investigar en este trabajo.

La fuerza es cualquier acción o esfuerzo que puede alterar a cualquier material, de cualquier manera, por ejemplo, la fuerza que se aplica sobre una pelota para que ruede, y la fuerza que se le aplica para que pare; o en el caso de esta investigación, la fuerza necesaria para flexionar una tira de plástico. Al ser una magnitud vectorial, la fuerza depende de la intensidad, la dirección y el sentido para poder medirla con precisión. Existen dos tipos de fuerza: la fuerza de contacto, que es aquella que resulta del contacto físico entre el cuerpo y su alrededor; y está la fuerza de campo, que ocurre en la acción a distancia entre un cuerpo y su alrededor. La fuerza se mide en Newtons.

 La fuerza fue descrita por primera vez por el físico Arquímedes, que afirmaba que todo cuerpo sumergido en un líquido experimentaba un empuje vertical y con dirección hacia arriba, que es igual al peso del objeto sumergido. 

HIPÓTESIS

Basándonos en la información obtenida de la introducción, podemos deducir que cuanto mayor sea la fuerza aplicada sobre la tira de plástico, mayor será su flexibilidad. Esto ocurre porque la fuerza que aplicamos es mayor a la resistencia del cuerpo al que aplicamos la presión, es decir, nuestra fuerza se opone a la resistencia original del objeto.  

Esta teoría se puede explicar con el módulo de Young, que es aquel que determina cuánto se comprimirá un material bajo una presión externa. Según este módulo, cuanto más volumen tenga el objeto, más presión se deberá aplicar sobre él para que de doble. Podríamos comprobar que es cierto si probásemos a ejercer la misma fuerza sobre dos objetos iguales, aunque fabricados con distintos materiales. Si uno de los objetos es de plástico, y el otro, de hierro, veremos que se necesita una mayor cantidad de fuerza para doblar el objeto de hierro que el de plástico. La fórmula del módulo de Young es la siguiente:

Gracias a este fórmula podemos averiguar el módulo de elasticidad de un objeto.

Otra teoría que podemos aplicar a este fenómeno es la Ley de Hooke, en la que se expresa que el alargamiento de un material elástico es directamente proporcional a la fuerza que se le aplica. Si al aplicar la fuerza deformamos permanentemente el objeto, podemos decir que su límite de elasticidad se ha sobrepasado. La fórmula de la ley de Hooke es la siguiente:

VARIABLES

-            La variable independiente de este trabajo es el peso que aplicamos sobre la tira de plástico, ya que es aquella variable que no depende de otros datos para poder medirla. Para calcular el peso utilizamos pesos de 10 gramos.

-            La variable dependiente de esta investigación es el grado de flexión de la tira de plástico. Para medirlo, simplemente necesitamos saber la distancia que existe entre el suelo y la tira, que se mediría con una regla. Para calcular el grado de flexión solo tendríamos que aplicar fuerza sobre la tira y medir de nuevo la distancia entre el suelo y la tira. Con esto deberíamos conseguir una distancia menor que la original.

-            Las variables controladas son aquellas que se mantienen constantes durante el experimento, de manera que no afectan a la forma en que la variable independiente afecta a la variable dependiente. Las variables controladas de este proyecto son el material de la tira, y la longitud y el grosor de la misma, ya que podrían afectar a su grado de flexión. Para mantener estas tres variables constantes, lo único que debemos hacer es utilizar la misma tira durante todo el experimento, y mantenerla en la misma posición durante todo el experimento. Esto lo conseguiríamos con un tornillo de mesa.

MATERIALES

-          Una regla de plástico de 50 cm.

-          7 pesos de 10 gramos cada uno.

-          Un metro.

-          Tornillo de mesa.

-          Una goma elástica.

MÉTODO

1.      Colocamos una regla de plástico de 50 cm sobre el filo de una mesa, de tal manera que ésta sobre salga de ella. Comprobamos cuanta distancia hay desde el suelo hasta la regla. Para agarrar la regla a la mesa, utilizamos un tornillo de mesa, y lo apretamos bien para asegurarnos de que esta no se mueve. Además, colgamos una goma elástica del agujero de la regla para después poder colgar los pesos.

2.      Colocamos el primer peso sobre la goma elástica, y medimos la distancia que hay ahora del filo de la regla al suelo.

3.      Repetimos el paso 2, cambiando la cantidad de peso que se coloca sobre la regla. Como lo que tenemos son pesos pequeños de 10 gramos cada uno, cada vez que tomamos una nueva medida añadimos un peso sobre la regla. Esto lo hacemos hasta conseguir pesos de entre 20 y 80 gramos.

4.      Repetimos los pasos 2 y 3 para comprobar que las medidas que hemos conseguido son correctas.

      RESULTADOS

   Relación entre el peso puesto sobre la regla y la distancia de la regla a la mesa   

      Viendo los resultados obtenidos, que se encuentran recopilados en la tabla, y representados en la tabla, podemos comprobar que cuanto mayor sea el peso que colocamos sobre la regla, mayor será su flexión. Por esta razón podemos decir que la flexión de la regla es proporcional al peso que se le coloca encima.

     CONCLUSIÓN

     Con toda la información que tenemos, y con los datos obtenidos, podemos llegar a la conclusión de que cuanto mayor sea el peso que se coloca sobre la regla, es decir, cuanto mayor sea la fuerza que este peso ejerce, mayor será el grado de flexión de la regla. De esta manera, vemos que la hipótesis que hemos desarrollado es correcta.

     EVALUACIÓN

     

A pesar de estos errores, la práctica de laboratorio ha tenido los resultados esperados.

Práctica 10: Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA)

OBJETIVO: Estudiar experimentalmente la posición y velocidad de un móvil con aceleración constante en función del tiempo.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA:

Un cuerpo abandonado sobre un plano, inclinado un ángulo   respecto a la horizontal, se mueve con movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA en adelante). Ello es debido a la componente paralela al plano de la aceleración de la gravedad.

Como s = ½·a·t2, la aceleración, a = 2s/t2, puede hallarse en función de los desplazamientos y de los tiempos tardados, y su valor debe ser, dentro de un margen de error, aproximadamente constante.
      

Por otra parte, las velocidades finales pueden hallarse a partir de

v = a·t

sin más que sustituir la a de la ecuación anterior

v = (2s/t2)·t = 2s / t

Las velocidades finales han de ser, por lo tanto, proporcionales a los tiempos, y los caminos recorridos proporcionales a los cuadrados de los tiempos.

Una alternativa es el análisis de video, que permite obtener de un video las trayectorias, y luego de éstas la velocidad y aceleración.

MATERIALES:

• Rieles de aluminio
• Tacos de madera
• Canicas
• Metro
• Cronómetro
• Rotulador

PROCEDIMIENTO:

1. Coloca el riel de aluminio apoyado sobre los tacos de madera con cierta inclinación.
2. Haz una marca en un extremo del riel y mide la distancia hasta el final.
3. Mide la inclinación haciendo el cociente entre la altura vertical de la que cae la bola y la distancia horizontal que recorre.
4. Deja caer una canica desde la marca, grabando con el móvil o el portátil el movimiento. Repítelo dos veces más.
5. Cambia la inclinación añadiendo tacos de madera hasta tener un total de cinco inclinaciones y tres repeticiones para cada una de ellas.

TAREAS:

1. Analiza los videos con Tracker o LoggerPro para obtener la aceleración en cada movimiento.
2. Promedia las aceleraciones de cada repetición para obtener un aceleración por inclinación.
3. Haz una tabla con tus datos.
4. Obten del programa un gráfico ejemplo de la posición frente al tiempo, de la velocidad frente al tiempo y de la aceleración frente al tiempo.
5. Haz un gráfico de la aceleración frente a la inclinación.
6. Comenta las gráficas obtenidas, comparando lo obtenido con lo previsto de acuerdo a la teoría. Evalúa la precisión de los datos a partir del ajuste de las gráficas a las líneas de tendencia.
7. Evalúa el procedimiento en cuanto a precisión y exactitud de los resultados. Expón detalladamente debilidades y fuentes de error del método y soluciones para las mismas.

RESULTADOS OBTENIDOS:

Posición (cm) frente al tiempo (s)

En la primera gráfica, cogida de la cuarta vez que realizamos el experimento, representa la posición en la que se encuentra la canica frente al tiempo transcurrido. Vemos que cuanto más tiempo pasa, mayor es la posición es de la canica, es decir, más ha avanzado. En la segunda fotografía podemos ver dos gráficas que representan lo mismo que la primera. En ellas se muestra una gráfica de la posición frente al tiempo con una aceleración positiva, y en la otra, con una aceleración negativa. Si comparamos la gráfica con aceleración positiva con la que hemos obtenido en nuestro experimento, podemos comprobar que nos ha salido la reacción esperada, es decir, que cuanto mayor tiempo pasa, mayor será la posición de la canica.

Velocidad (cm/s) frente al tiempo (s)

La gráfica superior corresponde a la relación entre la velocidad y el tiempo que existe en la segunda vez que llevamos el experimento a cabo. En ella vemos cómo aumenta la velocidad conforme avanza el tiempo, ya que, aunque hay muchos momentos en los que la velocidad de la canica disminuye, acaba aumentando de nuevo, haciendo que la velocidad final sea mayor a la inicial. Si comparamos esta fotografía con la segunda que nos encontramos abajo, podemos ver que el aumento de la velocidad es proporcional al paso del tiempo, que es lo que nos sale a nosotros en el experimento.

Aceleración (cm/s2) frente al tiempo (s)

En ambas gráficas podemos ver la relación entre la aceleración y del tiempo en el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. La primera es la gráfica obtenida en nuestra práctica. En ella podemos ver cómo la aceleración aumenta y disminuye frente al tiempo, sin embargo, también podemos observar que entre el crecimiento y decrecimiento de la misma, la aceleración se mantiene de manera relativamente constante. Si nos fijamos en la gráfica inferior, vemos cómo en el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado la aceleración es siempre constante frente al tiempo, como lo es el resultado de nuestro experimento, más o menos.

Si observamos todas las gráficas que hemos obtenido en nuestro experimento, podemos ver que en todas ellas hay una línea de color rosa, que cruza con los resultados obtenidos. Esta es la línea de tendencia. Con ella podemos juzgar el camino que debería haber seguido nuestra gráfica. En la primera vemos que hay una línea recta que se desarrolla de forma creciente, al igual que la posición que nosotros hemos obtenido. Aunque el resultado no sea exactamente esta línea, comprobamos que es bastante acertado.

En la segunda gráfica, también vemos que la línea rosa es ascendente, de modo que cuanto mayor tiempo transcurre, mayor es la velocidad. Aunque la velocidad que nosotros hemos obtenido tiene puntos tanto por encima como por debajo de esta línea de tendencia, comprobamos que el resultado es el mismo: al final, tanto la línea de tendencia como los resultados que nosotros hemos obtenido, tienen una velocidad final mayor a la que se tiene al comienzo del experimento.

Finalmente, en la última gráfica, en la que se relaciona la aceleración frente al tiempo, vemos que la línea de tendencia aumenta ligeramente conforme pasa el tiempo, pero podemos considerar que es prácticamente constante. Aunque no es fácil apreciarlo, los resultados que nosotros hemos obtenido en nuestro experimento no se diferencian mucho de la línea de tendencia. Esto es porque, a pesar de crecer y decrecer con frecuencia, se mantiene de manera más o menos constante, ya que siempre acaba pasado por los mismos valores.

Aquí podemos ver una tabla y una gráfica en las cuales vemos a la aceleración de la canica frente a la inclinación del riel por el que rodaba:

Relación entre la aceleración de la canica y la inclinación del rie

Tanto en la tabla como en el gráfico podemos observar que cuanto mayor sea la inclinación del riel, mayor será la aceleración de la canica, y viceversa.

CONCLUSIÓN:

En conclusión, podemos decir que, en el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, tanto la posición como la velocidad de la canica aumentan a medida que pasa el tiempo, mientras que la aceleración se mantiene relativamente constante durante el experimento.

EVALUACIÓN:

Práctica 9: Titulación redox

OBJETIVO: Investigar la cantidad de peróxido de hidrógeno presente en el agua oxigenada comercial.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA:

El agua oxigenada comercial es una disolución de peróxido de hidrógeno en agua destilada con una concentración variable entre el 3 y el 30 %. Esta concentración suele expresarse en términos de volúmenes, lo que quiere decir el volumen de oxígeno liberado por un volumen de disolución, p. ej.: si tenemos agua oxigenada de 10 vol entonces 1 L de l amisma liberará 10 L de oxígeno en CCNN, de acuerdo a la reacción: 2 H2O2 → 2 H2O + O2, donde 2 moles de peróxido de hidrógeno (34 g) liberan 1 mol de oxígeno gaseoso, o sea, 22.4 L en CCNN.

La reacción entre el peróxido de hidrógeno y el permanganato en medio ácido es la siguiente:

2 MnO4- + 5 H2O2  +  6 H+  →  2 Mn+2 + 5 O2 + 8 H2O

MATERIALES:

• Pie y pinza
• Bureta
• Erlenmeyer
• Pipeta
• Matraz aforado de 100 mL
• KMnO4 0.05 M
• Agua oxigenada comercial
• H2SO4 2 M

SECURIDAD:

• Usa gafas de seguridad.
• Las sustancias empleadas son tóxicas: en caso de contacto con la piel, lavar con abundante agua.

PROCEDIMIENTO:

1. Coloca la bureta en el pie con la pinza. Llénala con el permanganato, asegurándote de que no quedan burbujas, y enrásala a 0.
2. Haz una disolución de agua oxigenada tomando 10 mL de la comercial y diluyéndola hasta 100 mL en el matraz aforado con agua destilada.
3. Toma 25 mL de esta disolución con la pipeta y pásala al erlenmeyer. Añade 25 mL de ácido sulfúrico y 25 mL de agua destilada.
4. Titula la mezcla con el permanganato hasta que permanezca un ligero color violeta en el erlenmeyer (eso significa que has puesto justo una gota de más).
5. Anota el volumen gastado y repite el procedimiento para confirmar el resultado.

TAREAS:

1. Haz una tabla con tus resultados.
2. Calcula la concentración de peróxido de hidrógeno del agua oxigenada comercial teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción y la dilución realizada y compara tu resultado con lo que viene en el bote.
3. Evalúa el procedimiento en cuanto a precisión y exactitud de los resultados. Expón detalladamente debilidades y fuentes de error del método y soluciones para las mismas.

RESULTADOS:

1.

Volumen del permanganato potásico

2. Para realizar esta práctica voy a considerar solo la media de dos de los tres volúmenes que he conseguido, ya que son prácticamente iguales. La media entre 16.8 y 16.9 es 16.9, y este es el volumen que utilizaré.

Para calcular la concentración de peróxido de hidrógeno del agua oxigenada primero averiguamos los moles del permanganato de potasio. Para eso, utilizamos la molaridad de esta sustancia, que sabemos que es 0.05 M y la multiplicamos por el volumen en litros obtenido, con lo que la fórmula quedaría así:

Molaridad= Moles/ Volumen en litros de la disolución; Molaridad x Volumen de la disolución= Moles

0.05= x/ 0.01685; 0.05 x 0.01685 = x; x = 0.0008425 moles de permanganato de potasio

Redondeamos a 0.000843, porque debemos tener el mismo número de cifras significativas.

A continuación, aplicamos estequiometría para averiguar los moles de agua oxigenada que tenemos.

2 moles de permanganato -------------------------- 5 moles de agua oxigenada

0.000843 moles de permanganato -------------------- x moles de agua oxigenada

x = 0.00211 moles de agua oxigenada

Como hemos utilizado 25 mL de agua oxigenada, multiplicamos el número de moles entre 0.025 L, y con esto nos da la concentración.

0.00211/0.025= 0.0844 moles/L

Finalmente, multiplicamos la concentración por 10,ya que durante el experimento mezclamos 10 mL de peróxido de hidrógeno con 100 mL de agua; y en el bote el agua oxigenada  es 10 veces mayor.

0.0844 x 10= 0.844 M

CONCLUSIÓN:

Como podemos comprobar en los cálculos que hemos hecho arriba, la concentración de peróxido de hidrógeno del agua oxigenada comercial es 0.844 M, que es la solución que nos tenía que salir, ya que el agua oxigenada que hemos utilizado para el experimento era del 3%, que corresponde a 0.885 M.

EVALUACIÓN:

Práctica de laboratorio 8: La velocidad de evaporación

OBJETIVO: Comprobar que la temperatura es un factor que altera la velocidad de evaporación del alcohol.

MATERIALES:

• Alcohol
• Tubo de ensayo graduado
• Agua
• Calentador de vaso
• Vaso de precipitado
• Cronómetro
• Termómetro

SEGURIDAD:

No encender el calentador de vaso hasta que se encuentre dentro del recipiente, y desconectarlo antes de sacarlo.

PROCEDIMIENTO:

1. Llenamos el vaso de precipitado con agua y y le metemos el calentador de vaso hasta que el agua se encuentre a 30ºC. Esta temperatura la sabemos gracias al termómetro.
2. Removemos el agua para asegurarnos que toda está a la misma temperatura.
3. Llenamos un tubo de ensayo con 10 mL de alcohol y lo metemos dentro del vaso de precipitado, y lo dejamos ahí durante 5 minutos. Comprobamos la cantidad de alcohol que queda en el tubo de ensayo.
4. Repetimos este proceso a la misma temperatura con la misma cantidad de alcohol para asegurarnos que el resultado es correcto.
5. Repetimos los pasos 3 y 4 con las siguientes temperaturas: 40ºC, 50ºC, 60ºC y 70ºC.

RESULTADOS:

Relación volumen-temperatura del alcohol

Una vez hecha la práctica de laboratorio hemos podido ver gracias a los datos obtenidos, que a mayor temperatura, mayor cantidad de alcohol. Éstos no eran los resultados que esperábamos obtener, y por lo tanto podemos decir que la práctica ha sido un fracaso. En la tabla siguiente podemos ver que a una temperatura de 30ºC tenemos 10 mL de alcohol, mientras que a 40ºC, tenemos 10,1 mL, y así sucesivamente hasta que a 70ºC tenemos 10,8 mL de alcohol.

CONCLUSIÓN:

Como podemos comprobar en la tabla, nuestra práctica de laboratorio no nos ha proporcionado los resultados esperados, ya que al calentar el alcohol hemos obtenido mayor cantidad de la sustancia que a temperatura ambiente, cuando el resultado que buscábamos era una menor cantidad de alcohol. Con este resultado podemos decir que nuestra práctica ha sido fallida. No estamos seguros por qué nos han salido estos resultados, pero pensamos que es porque no hemos calentado el tubo de ensayo que contenía el alcohol directamente, sino que lo hemos calentado metiéndolo en un vaso de precipitado lleno de agua a cierta temperatura.

EVALUACIÓN:

Práctica de laboratorio 7: Método de Job

OBJETIVOS: Reconocer el reactivo limitante y en exceso en una reacción. Determinar la estequiometría de una reacción.

MATERIALES:

• Gradilla con 9 tubos de centrífuga idénticos
• Regla
• Vaso de precipitados grande
• Cromato de potasio 0.5 M
• Cloruro de bario 0.5 M
• Pipeta de 5 mL
• Centrifugadora

SEGURIDAD:

• Usa gafas de seguridad.
• Las sustancias empleadas son tóxicas: en caso de contacto con la piel, lavar con abundante agua.

PROCEDIMIENTO:

1. Con ayuda de la pipeta, deposita 0.5 mL de cromato en el tubo 1, 1 mL en el tubo 2, y así hasta el final.
2. Limpia la pipeta y repite el proceso con el cloruro de bario, añadiendo 4.5 mL en el tubo 1, 4 mL en el tubo 2 y así sucesivamente.
3. Mezcla bien el contenido de los tubos, invirtiendo cada uno un par de veces.
4. Centrifuga los tubos durante un minuto.
5. Haz una fotografía del resultado y mide la altura del precipitado en cada tubo.

TAREAS:

1. Organiza todos los resultados anteriores en una tabla que incluya para cada tubo, la composición del mismo y la altura del precipitado formado.
2. Realiza la gráfica de altura de precipitado frente a volumen de uno de los reactivos y traza las rectas correspondientes a las zonas de exceso de cada reactivo.
3. Explica qué significa el resultado obtenido, especialmente la forma de la gráfica, averigua cuál es la estequiometría de la reacción, y escribe cuál es la conclusión a la que habéis llegado, incluyendo si es posible datos de la bibliografía.
4. Evalúa el procedimiento en cuanto a precisión y exactitud de los resultados. Expón detalladamente debilidades y fuentes de error del método y soluciones para las mismas.

RESULTADOS:

1.

2.

3. Lo que podemos comprobar gracias a esta gráfica es que cuanto más igualada sea la cantidad de cromato de potasio y de cloruro de bario, mayor será la altura del precipitado, y, por lo tanto, cuanto más desigual sea la cantidad de ambas sustancias, menor será la altura del precipitado.

La reacción es:

BaCL2 + K2CrO4-----------> BaCrO4 + 2 KCl 

Por lo que podemos decir que la estequiometría es 1 a 1.

CONCLUSIÓN:

En conclusión, podemos decir que cuanto más igualada sea la cantidad de las dos sustancias, mayor será la cantidad de precipitado, y viceversa, ya que cuanto mayor sea la diferencia entre las sustancias, menos altura tiene el precipitado.

EVALUACIÓN: