Física Experimental II - Curso 2012 - Experimentos
GR_01. Los Satélites Terrestres y la Tercera Ley de Kepler.
Los satélites artificiales que orbitan alrededor de la Tierra se mueven según la ley de gravitación universal de Newton. Las leyes de Kepler preceden históricamente a la teoría newtoniana y son interpretadas por esta teoría. Se realizara una búsqueda y compilación de datos satelitales (apogeo, perigeo, período, etc.) y se analizará el cumplimiento de la tercera ley de Kepler. Se analizarán órbitas con diferente excentricidad y se hará un análisis estadístico de las muestras. La actividad incluye una discusión sobre los satélites con Observatorios espaciales de rayos-X (Chandra y XMM-Newton).
GR_02. Determinación de las Temperaturas Planetarias con la Ley de Stefan-Boltzmann.
Los planetas y otros cuerpos celestes del sistema solar reciben la radiación solar y emiten radiación propia alcanzando una temperatura de equilibrio. Suponiendo que se tratan de “cuerpos negros”, se determinará la temperatura de los planetas aplicando la ley de Stefan-Boltzmann. Se analizará la dependencia de la temperatura de los planetas con su distancia al Sol y se discutirán las anomalías observadas en algunos planetas, cuyas temperaturas se apartan de una ley potencial.
EL_01. Determinación experimental del módulo de Young de un alambre delgado sometido a tracción.
Se estudiará la elasticidad del alambre bajo tracción aplicando pesos conocidos y determinando la elongación del alambre. Esta se determinará a través del uso de un detector de movimiento rotatorio (marca Pasco), con sensibilidad para registrar elongaciones mínimas de 14 micrones. Mediante ajuste por mínimos cuadrados (en el régimen lineal) se determinará la pendiente de la recta fuerza versus longitud. Midiendo la longitud y diámetro del alambre, se calculará el módulo de Young del material.
EL_03. Determinación del módulo de rigidez del cobre con un péndulo de torsión.
Se estudiará la elasticidad de un alambre de cobre bajo esfuerzos de torsión apartándolo de su posición (angular) de equilibrio mediante un torque externo. El sistema realiza una oscilación armónica cuyo período depende del momento de inercia del péndulo físico, las dimensiones del alambre y el módulo de rigidez. El conocimiento del módulo de rigidez y del módulo de Young permiten conocer los restantes parámetros elásticos (compresibilidad y coeficiente de Poisson) del material.
FL_02. La ley de Bernoulli y el vaciado de una botella
Se estudiará el movimiento de un líquido durante el vaciado de un recipiente. El recipiente (botella invertida) está abierto en sus extremos. Mediante un sensor de movimiento se determinará la evolución temporal del nivel de líquido y se estimará el tiempo de vaciado para diferentes tamaños del orificio de salida. El proceso se analizará con el teorema de Bernoulli y la ecuación de continuidad. Se discutirá la analogía mecánica de un movimiento acelerado.
FL_03. Viscometría capilar: tamaño de una molécula de azúcar según Einstein.
La viscosidad de una solución de azúcar en agua fue usada por Einstein en 1905 para estimar el tamaño de las moléculas. Se medirá la viscosidad relativa de una solución acuosa al 1% de azúcar con un viscosímetro capilar tipo Ostwald, a temperatura constante, y se obtendrá el volumen de una molécula. Se analizarán la norma ASTM que regula las medidas viscométricas, las condiciones experimentales reales en laboratorio y se valorarán los errores aleatorios y sistemáticos del experimento. Este radio “hidrodinámico” obtenido por viscometría se contrastará con el radio “hidrostático” obtenido mediante densitometría y se discutirá sobre los comentarios de Einstein al respecto.
TD_01. Medida del calor específico de sustancias sólidas mediante un calorímetro de mezclas.
El calor específico de los elementos ha jugado un rol importante en el desarrollo de la teoría atómica de la materia. Se determinará el calor específico de sustancias sólidas a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente usando un calorímetro de mezclas. A partir del balance de energía entre dos masas de agua a diferente temperatura se obtendrá una constante característica de cada instrumento. El calor específico de aluminio, cobre, hierro y bronce se comparará con valores tabulados.
TD_02. Dilatación lineal de sólidos y ley de enfriamiento de Newton.
El efecto térmico sobre las dimensiones de los materiales se estudia a través del coeficiente de dilatación lineal de tubos metálicos, que se obtiene registrando la longitud alcanzada por ellos al elevar la temperatura desde la temperatura ambiente hasta la temperatura del vapor de agua a una atmósfera (100 ºC). En un segundo experimento, se estudia la validez de la ley de enfriamiento de Newton midiendo el acortamiento temporal de los tubos en su regreso al equilibrio después de alcanzar su máxima elongación.
TD_03. Termodinámica del aire: Experimento de expansión adiabática de un gas y medida de g = Cp / Cv con el método de Clément y Desormes.
El cociente de calores específicos a presión constante (Cp) y a volumen constante (Cv) de diferentes gases fue medido por Clément y Desormes a principios del siglo XIX por medio de un procedimiento extremadamente simple. Se somete al gas a una expansión adiabática (con intercambio de calor nulo con el medio) produciendo una disminución de su temperatura y a un posterior calentamiento isocórico (a volumen constante) hasta alcanzar la temperatura ambiente. La medida de presiones manométricas permite determinar el índice g. Aplicando la ley de los gases ideales pueden determinarse los cambios de temperatura y volumen molar en la transformación adiabática y otras magnitudes físicas mediante la aplicación del primer principio de la termodinámica.
TD_04. Experimento de laboratorio sobre calor latente y capacidad calorífica a bajas temperaturas.
El calor específico de los elementos ha jugado un rol importante en el desarrollo de la teoría atómica de la materia. A altas temperaturas el calor específico molar de los metales tiende a un valor constante (Ley de Dulong y Petit), pero éste tiende a anularse en el cero absoluto (-273.15 ºC). Se determinará en primer lugar una propiedad del nitrógeno líquido: su calor latente de vaporización a la temperatura de ebullición ( 77 K = -196 ºC) midiendo su velocidad de evaporación cuando se le entrega una cantidad controlada de energía térmica. Después, se determinará el calor específico promedio (entre 77 K y temperatura ambiente) de diferentes metales a partir de la energía térmica entregada al nitrógeno líquido por los mismos.
AC_01. Propagación del sonido en medios sólidos: Experimentos en barras de hierro y otros materiales con osciloscopio digital y computadora.
La velocidad del sonido en sólidos puede medirse aplicando un pulso de compresión en una barra y registrando el tiempo que tarda la onda longitudinal en recorrer su longitud. En barras ferromagnéticas la compresión produce una onda de magnetización que puede detectarse con una bobina alrededor de la barra y registrarse en un osciloscopio. Una alternativa es disponer de una computadora y el programa MacScope® II que opera bajo Windows y es de libre distribución. Este emula un osciloscopio para frecuencias de audio y la onda viajera se detecta con un micrófono convencional.
AC_02. Ondas estacionarias en tubos: varias medidas de la velocidad del sonido en el aire.
Las primeras medidas de la velocidad del sonido en el aire se realizaron al aire libre, con métodos que permitieron corregir el efecto del viento. Actualmente se mide esta velocidad en aire u otros gases encerrados en tubos. En tubos abiertos en un extremo, cuando son excitados por un diapasón de frecuencia conocida, se inducen resonancias que permiten determinar la velocidad del sonido en la columna de aire a partir de la medida de la longitud de la columna. Se aplicarán varios métodos de medida y de análisis usando un tubo de resonancia de Quincke.
