Clásicos en cámara lenta

Un poco de recreo no viene mal… aprendiendo a usar Sony Vegas Pro 11.0 un editor de vídeos profesional muy potente

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Midiendo la velocidad del sonido con una cámara de alta velocidad

 

He comenzado mis 10 experimentos con cámaras de alta velocidad y comentaré algunos en forma individual como éste por ejemplo.

Con muy poco podemos calcular a que velocidad a la que viaja el sonido en el aire utilizando una cámara que pueda filmar entre 500 y 1000 fps (fotogramas por segundo)

Utilizaremos la detonación de un explosivo pequeño, puede ser un petardo, yo usé la detonación de un fusible con el banco de capacitores descrito en este mismo blog, será necesario construir un pequeño sensor que tiene un micrófono electret, un transistor común (BC550) y algunos componentes mas, este artilugio hace encender un led cuando recibe un sonido (ver el video).

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Circuito gentileza de Baldo del foro de científicos aficionados, puede usar cualquier transistor tipo npn, un bc548  o un bd139 funcionaran bien

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El sensor armado y alimentado con una vieja batería de móvil

Para alimentar el sensor se uso una batería de teléfono móvil, generalmente son de 3,7v, si el led queda medio encendido, puede variarse el valor del preset de 1 K que va en paralelo con el led hasta que quede apagado cuando no hay sonido.

El dispositivo es muy sencillo, se coloca el petardo a una distancia de 5 metros de donde colocamos el sensor, esta distancia debe ser medida con una cinta métrica y tiene que ser exacta, puede hacerse con distancias de hasta 1 metro, pero para tener mayor precisión en el cálculo unos 5 metros esta bien.

Puede hacerse este experimento usando una cámara común que grabe a 30 fps, pero deberá usarse en ese caso una distancia 10 veces mayor, (50 metros).

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La cámara debe “ver” el petardo y el led del sensor.

Se hace la detonación y se filma.

Luego la filmación se analiza cuadro por cuadro con un editor de videos, se vera el frame donde se produce la detonación y si adelantamos cuadro a cuadro veremos que el led del sensor se enciende recién luego de varios cuadros, en la prueba que realicé a 480 fps y con una separación de 5 metros hubo 7 cuadros entre el flash de la explosión y el encendido del led, es decir que tardó 0,01458 segundos en recorrer 5 metros, la velocidad será:

V=∆E/∆t= 5m/0,01458seg= 342,9 m/seg

* cada frame equivale a 1/480seg= 0,00208 seg  por tanto el tiempo de 7 frames = 7x 0,00208seg= 0,01456seg

La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/seg un número bastante parecido al que se encontró en forma experimental, que es apenas un 0,8 % mayor.

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Fabricación y calibración de diapasones

 

Construcción

Un diapasón es un instrumento metálico en forma de horquilla que al golpearlo vibra emitiendo un tono puro, esa nota musical tiene la mayor parte de su energía en la frecuencia fundamental y muy poca en las armónicas (sobretonos)

Los diapasones generalmente se usan para afinar instrumentos musicales, pero en nuestro caso lo usaremos para el estudio de ondas.

Los diapasones son de metal, generalmente de acero, pero se pueden hacer con otros metales, en este caso están realizados con bronce.

 

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En las imagenes se ve una plancha de bronce que se usó para la construcción de varios diapasones

 

La plancha de bronce tiene 3 mm de espesor y se puede mecanizar con la amoladora axial. No importa que las medidas no sean exactamente iguales, una vez terminado vamos determinar la frecuencia de resonancia que será propia de ese diapasón, si es importante que la plancha sea bastante gruesa para que el instrumento quede lo suficientemente rígido, también puede hacerse con una varilla de acero a la que se le soldará la parte que oficia de mango con soldadura de bronce o con la eléctrica.

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La caja de resonancia es de fibrafacil, vienen de variados tamaños la que usé en este caso es de 120x70x60 mm , ya vienen con una tapa la que una vez terminado el trabajo se pegará con cola de carpintero. El soporte donde estará sujeto el diapasón es una varilla roscada que se ha taladrado a lo largo con mecha de 4,5 mm una perforación de unos 15 mm, y transversal se practicó un agujero que se roscó con macho de 1/8 donde va un tornillo para fijar el instrumento, la varilla roscada va sujeta a la caja por dos tuercas por encima y por debajo. En uno de los costados de la caja se hace una ventana usando el dremel.

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Para golpear el diapasón se puede usar una goma de borrar que se fija a un mango, eso le dará un golpe suave que se verá en el software como una onda pura.

El software elegido es el Visual Analizer este programa gratuito convierte a la PC en un osciloscopio para audio y además tiene varios instrumentos más, uno es un frecuencímetro que utilizaremos en este proyecto y un generador de señales que se usará para determinar exactamente la frecuencia a la que resuena el diapasón.

Este mismo programa se usará mas adelante en una futura entrada con Diez pruebas con ondas y sonido para ver las características de las ondas.

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Como se determina la frecuencia exacta del diapasón

Una vez que hemos descargado el programa Visual Analizar lo instalamos y lo ejecutamos.

Nos aparece una pantalla como esta:

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Vamos a utilizar dos de las utilidades del programa, primero el frecuencímetro (Frec. Meter) y luego el generador de señales (Wave gen.)

Cuando tildamos la casilla del frecuencímetro nos despliega la siguiente ventana

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Si bien tiene una ventana donde se puede variar la resolución, he probado y solo consigo lecturas con resolución de +/- 10Hz asi que vamos a tomar una lectura bruta de donde esta resonando colocando la abertura de la caja justo delante del micrófono de la PC y le daremos un golpe al diapasón para que vibre, esto nos dará una lectura que tendrá un error de +/-10 Hz, para obtener lectura debemos poner en marcha el osciloscopio con el botón de encendido y apagado que esta en la esquina superior izquierda.

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En la imagen se ve el diapasón vibrando al costado izquierdo y la lectura de 450 Hz en el frecuencímetro, también puede verse atrás, en el osciloscopio la onda sinusoidal pura y en la ventana inferior un pico muy pequeño en la zona de 450 Hz, esa ventana es un analizador de espectros que tiene el programa.

Si bien esto ya nos esta diciendo algo respecto al instrumento, si queremos que dos diapasones resuenen con solo golpear uno de ellos, necesitaremos calibrarlo de forma que estén apareados con menos de 1 Hz de diferencia.

Para hacer esta medida mas fina vamos a usar el mismo programa Visual Analizar pero en este caso con el generador de señales (Wave generator).

También necesitaremos un pequeño parlante para conectar a la salida de auriculares de la PC y un péndulo fabricado con tergopor.

El parlante se acomoda dentro de la caja del diapasón y se conecta a la PC, el péndulo deberá quedar tocando una de las varillas del diapasón.

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En la imagen puede verse el péndulo tocando una de las varillas.

En el programa VA abrimos la utilidad generador de señales y se despliega una ventana como la siguiente

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Veremos que ambos canales están habilitados, deshabilitamos uno de ellos picando en el cuadrito Enable, como habíamos medido con el frecuencímetro que nuestro instrumento andaba por los 450 Hz, con las flechitas lo llevamos a ese valor (circulo rojo en la imagen), hay que observar que la forma de onda (wave function) debe estar en Sine (sinusoidal) el programa permite otras formas de onda, observe que en el canal B que esta deshabilitado hay una forma cuadrada (Square).

Ponemos en marcha el generador presionando el botón On y con las flechas vamos subiendo o bajando de a 1 Hz, en un momento el péndulo comenzará saltar por la vibración de la varilla que entra en resonancia con el sonido que recibe.

En el siguiente video puede verse el procedimiento y el efecto

 

Otras pruebas realizadas con estos instrumentos

 

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Un poderoso aliado del laboratorio: La cámara digital

 

Muchas veces nos resulta difícil acceder a sensores para mediciones, o porque no disponemos de ellos o porque los sensores están, pero requieren de programas que no están en las netbook o que la interface…etc etc, lo que termina haciéndonos desistir de una practica.

Hoy voy a comentar algunas técnicas a aplicar para tomar medidas usando la cámara digital, algo muy utilizado en series como Mythbusters.

Cada día se populariza mas en cámaras digitales la opción de alta velocidad, ¿que significa eso? que los procesadores son cada vez mas rápidos y capaces de fotografiar mas veces por segundo, un video es en realidad una serie de fotografías que pasan a una determinada velocidad, el ojo humano tiene la sensación de movimiento suave cuando la secuencia de fotogramas es de entre 20 y  30 pero las cámaras mas modernas son capaces de hacer secuencias a mucha más velocidad.

Tengo algunas cámaras, una Canon Power Shot A570 que tiene tres posibilidades de filmación, 15 fps (frames per second o fotogramas por segundo), 30 fps y 60 fps, a medida que aumenta el numero de fps decae la calidad de la filmación, sin embargo para los fines de medición eso no será un gran problema. También he incorporado recientemente una cámara Casio Exilim ZR200, la misma esta preparada para videos de alta velocidad y puede tomar hasta 1000 fps, es decir en un segundo 1000 fotogramas, esta cámara actualmente se consigue en el orden de los U$A 200 mas impuestos aduaneros, que no es un precio inaccesible. El celular tiene una cámara mas o menos aceptable, las filmaciones son en 24 y 16 fps y las webcam  filman a 30 fps.

Esta posibilidad de tomar tantas fotos en un segundo, permiten ver lo que el ojo no puede y mas aún, registrarlo.

Por el momento van diez ideas usando cámaras comunes celulares y webcam, mas adelante en otra entrada irán las ideas para usar la cámara de alta velocidad.

Diez ideas para el uso de la cámara digital en el laboratorio de naturales (cámaras comunes, celulares y webcam)

  1. Midiendo el tiempo de un suceso

Para hacerlo mas gráfico vamos a usar un ejemplo simple y vamos a utilizar la cámara común, se puede usar también la cámara del celular aunque no lo recomiendo.

Lo primero que debemos es conocer a cuantos fps vamos a grabar, para eso buscamos en el manual y nos fijamos las posibilidades de nuestra cámara y como debemos hacer para cambiar de la opción que por defecto casi siempre es de 30 fps,

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Esta es la pantalla que presenta la Canon A570, en el costado superior derecho indica la “Secuencia rápida” y en el costado inferior izquierdo marca los 60 fps y debajo la resolución 320×240 pixels.

Los celulares generalmente no tienen la información en las herramientas, pero si en las especificaciones técnicas, en mi caso la cámara del mismo graba a 16 y 24 fps , es decir mi medición va a tener un error de +/- 0,062 seg (1/16) en caso de usarlo con 16 fps y +/- 0,042 seg (1/24) usándolo en 24 fps, si un suceso como una chispa eléctrica dura 0,01 seg no podré medirla con esta cámara, pero si podré medir un suceso que tarde 5 o 6 segundos con un error de +/- 0,042 seg. Si uso en cambio la cámara Canon en su velocidad máxima a 60 fps podré medir sucesos con un error de 0,016 seg (1/60), usando una cámara de 1000 fps tendré un error de +/- 0,001 seg (1/1000), como se ve cuanto mas fps tenga la cámara menor error.

En este ejemplo vamos a medir el tiempo que tarda una pelotita de goma en caer de una altura de unos 1,20 m de altura, usando la cámara en 60 fps. Colocaremos la cámara un trípode de modo que vean los dos puntos desde donde soltamos la pelota, hasta el lugar donde cae.

Adjunto el archivo de video para que puedan practicar : aca

Una vez hemos hecho la película, podemos descargar de Internet un programa para ver el video fotograma por fotograma, hay varios, yo uso virtualdub es gratuito, hay algunos formatos que no soporta por lo que a veces es necesario usar un convertidor de formatos de video, puede ser Format Factory la versión trial dura varios meses, primero hacemos la prueba de levantar el video desde virtualdub, si da error usamos el convertidor pasando el video a AVI y luego lo levantamos.

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La pantalla del editor Virtualdub, donde marca la cantidad de frames y el tiempo total del video

Con la doble flecha del editor avanzamos de a un cuadro por vez, en este video que descargaron podrán ver que en frame (fotograma) 2, la pelota comienza a caer y en el frame 32 toca el suelo, si por cada segundo hay 60 frames cada uno de ellos equivale a 0,0166seg, por lo tanto nuestros 30 frames son 0,499 segundos.

He usado con éxito este método para calcular la altura máxima de un cohete de agua usando el tiempo total desde que sale, hasta que toca el suelo (Método  Littlewood), se usa una fórmula sencilla donde la altura máxima=1.23 Tiempo2 ( H=1.23 T2)

(La explicación de la ecuación esta acá)

  1. Medición de velocidad y aceleración

Usaremos el mismo video de la otra medida para esto, como habrán visto justo detrás de la pelota que caía hay una madera que está pintada en forma alternada, este es el truco para medir la velocidad, cada parte de madera mide 0,20 m y cada parte pintada de blanco otros 0,20 m. Veamos los cálculos:

Para recorrer los primeros 0,20 m si verificamos con virtualdub necesitamos desde el frame 3 hasta el frame 12, es decir 9 frames, cada uno equivale a 0.0166seg, eso nos da 0,149 seg,  la velocidad es  el espacio recorrido dividido por el tiempo que se tardó en recorrerlo, por tanto (expresaremos en metros/seg) 0,20m/0,149seg= 1,342 m/seg, para la aceleración velocidad final menos velocidad inicial sobre tiempo

a= Vf-Vi/t

a=1,342m/seg-0 m/seg/0,149= 9,00 m/seg2

Hagamos otro cálculo de velocidad, los segundos 0,20 m los recorrió en solo 5 frames desde el frame 12 al 17, eso nos da 0,0166×5= 0,083seg por tanto la velocidad es

V= 0,20m/0,083seg= 2,40m/seg,

Veamos la aceleración:

a= Vf-Vi/t= 2,40m/seg-1,342 m/seg/0,083seg= 12,74 m/seg2

Otro cálculo más, el último

Esta vez para que la pelota coincida con las líneas deberemos recorrer cuatro sectores, es decir 0,80 m desde el frame 17 hasta el frame 29, total 12 frames que equivalen a 0,199 seg,

Vf= 0,80m/0,199seg= 4,02 m/seg

Aceleración

a= Vf-Vi/t= (4,02m/seg-2,40 m/seg)/0,199seg= 8,1 m/seg2

Todos sabemos que la aceleración de la gravedad es de 9.8 m/seg2

Promediando los 3 resultados=

(9,00m/seg2+12,74 m/seg2+8,1 m/seg2)/3= 9,94 m/seg2

Creo que si usáramos un cronómetro el error sería mucho mayor que este.

  1. Graficando trayectorias de cuerpos usando un video

Ya se, van a decirme, porque no empezaste por acá :), hay un software que se llama Tracker está especialmente hecho para estos procedimientos, el programa tiene un sin número de opciones, hice un tutorial para familiarizarse con el soft y aprender a usarlo,

ahora vamos a analizar un video con el mismo.

Una vez que instalamos el programa lo abrimos se nos muestra una pantalla como la siguiente Sin las flechas por supuesto.

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Paso a paso para procesar nuestro video

a. Arrastramos el video a la ventana principal o abrimos desde el icono marcado con 1 en la imagen.

b. Una vez ya esta el video presionamos el icono marcado como número 2, sirve para cortar la película dejando solo la parte que nos interesa, cuando lo picamos se abre una pantalla como esta:

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En la ventanita debemos colocar el número del cuadro inicial en este caso 279 y el del cuadro final 303 que esta resaltado, el tamaño del paso lo dejamos en 1 para que vaya frame a frame, damos aceptar.

Debajo de la barra de progreso del video hay dos triángulos negros, se puede cortar el video directamente sin abrir el icono llevando cada triángulo negro hasta la posición que queremos pero para cambiar los pasos deberemos abrir la ventana.

c. Ahora picamos en el icono marcado con 3 y se despliega un menú, elegimos

Nuevo > Vara de calibración, esto hará que aparezca una línea sobre la pantalla, con el puntero del ratón corremos los extremos a una regla de longitud conocida que esté en la imagen, en este caso una regla de 40cm, ingresamos el valor en metros (0,40), si queremos calcular velocidades aceleraciones, energía cinética recordar que la longitud en metros y la masa en Kg.

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Es conveniente usar el zoom para que las medidas sean lo mas exactas posibles.

d. Ahora picamos en el icono marcado 4, esto nos marcará un eje cartesiano

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Colocando el puntero del ratón en el centro lo trasladamos al punto inicial de la secuencia, en este caso será la pelota que esta en la mesa, luego volvemos a picar el icono y desaparece de la vista pero ya quedó marcado el inicio de la trayectoria el 0 de los ejes cartesianos, si la imagen no estuviera derecha, el eje de las x tiene una marquita, si colocamos el puntero del ratón sobre ese eje podremos voltearlo a la posición que necesitemos.

e. Ahora vamos a Crear, el icono marcado con 5, elegimos masa puntual y aparecerá

una ventana con masa A picamos sobre ella y se despliega el siguiente menú

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Hay varias opciones, podemos ponerle un nombre a la trayectoria para ello picamos en Nombre, y ponemos “pelota” por ejemplo

Luego elegimos Trayectoria automática

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Se despliega una nueva ventana, con las teclas ctrl +shift presionadas llevamos el puntero del ratón sobre la pelota o el objeto que marcará la trayectoria, quedará marcado como el la imagen, acá se establece el patrón de pixels que el programa buscará para marcar la trayectoria se puede modificar el tamaño de esa zona con el ratón sobre el cuadradito rojo, la zona cuadrada que también aparece es la zona en la que el programa buscará ese patrón de pixeles y tambien se puede modificar su tamaño y posición, si el video es difuso, como en este caso, el programa no logrará hacer la trayectoria automática y deberemos ir marcando cada punto en forma manual, picando cada vez en Search Next y con el ratón llevar el cuadradito con su número al punto que corresponda, una vez marcados todos los puntos cerramos y tendremos algo asi

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Nuestra trayectoria marcada en el propio video, al costado superior derecho una grafica de y en función del t, también podemos ver x en función del t picando con el ratón sobre la y del costado del gráfico.

Si hay un buen contraste entre el objeto y el fondo podemos picar en Search y el programa realizará la búsqueda en forma automática.

Este programa tiene la capacidad de crear modelos analíticos, pero no lo explicaré ahora, hay varios videos en youtube del tipo tutoriales que están bien explicados.

El procedimiento tutorial para hacer la trayectoria pueden verlo en youtube acá

  1. Midiendo la energía de partículas aceleradas

Para ver lo sencillo que resultan los cálculos con Tracker vamos a medir la velocidad y energía cinética de un balín de rifle de aire comprimido por medio de un péndulo balístico.

Los péndulos balísticos si bien no son complejos llevan un buen trabajo de mecánica, para poder medir ángulos y por trigonometría sacar la altura máxima a la que se eleva luego de recibir el impacto, este es un modelo comercial tomado de http://www.phywe-es.com/1005/pid/26194/Pendulo-bal%C3%ADstico-.htm

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Con un trozo de madera de masa conocida, unos hilos, la cámara digital y el programa Tracker vamos a medir la velocidad de la bala y la energía de la misma.

El video del proceso pueden verlo acá

Vamos a realizar los cálculos de los datos obtenidos, el dato fundamental en este experimento resulta de medir la altura a la que llega el péndulo con la bala incrustada, en este tipo de choques elásticos lo que se conserva en el instante del choque es el momento (p) que resulta de la masa por la velocidad

P=mv

m=masa

v=velocidad

Es decir el momento de la bala en el instante antes de impactar va a ser igual al momento del péndulo mas la bala justo en el instante después de la colisión

Pb=Pp+b

Pb= momento de la bala= mbvb

Pp+b= momento del péndulo mas la bala= mp+b vp+b

En el momento que se produce el impacto la bala que se mete dentro del péndulo produce en el conjunto péndulo-bala energía cinética la que va a ir convirtiéndose en energía potencial gravitatoria que será máxima en el preciso momento que el conjunto llegue a la máxima altura, donde toda la Ec será Ep, esa energía potencial tendrá el mismo valor que la energía cinética que llevó al conjunto hasta ahí

Ec=Ep

La masa del péndulo es de 0,1555 Kgr y la de la bala 0,0007Kg

mp+b= 0,1555 Kgr +0,0007Kg= 0,1562 Kg

La altura que se midió con Tracker fue de 0,026 m (ver video)

Ep= mp+b hg=0,1562Kg 0,026m 9,8 m/seg2m = 0,0398 J

Ahora

Ec=Ep=0,0398J

Ec= ½ mp+b vp+b2= >

vp+b= (2Ec/ mp+b )1/2=( 2* 0,0398/0,1562)1/2= 0,71 m/seg

La velocidad del conjunto péndulo bala es de 0,71 m/seg

Dijimos que el momento de la bala JUSTO ANTES DEL IMPACTO va a ser igual al momento del péndulo más la bala UN INSTANTE DESPUÉS DEL IMPACTO por tanto:

Pb=Pp+b

Pp+b=0.1562Kg*0,71 m/seg

Pb= 0,0007Kg* vb

0,0007Kg* vb =0.1562Kg*0,71 m/seg =>

vb=0.1562Kg*0,71 m/seg/0,0007Kg= 158,4 m/seg

Esa es la velocidad del balín 158,4 m/seg

Para la Ec

Ec= ½ mb*vb2= ½ 0,0007Kg *(158,4 m/seg)2= 8,78 Julios

  1. Analizando espectros

Otra interesante aplicación de la cámara digital en el laboratorio es la posibilidad de capturar espectros. Cuando a un átomo se le suministra energía pasa a un estado de excitación originado saltos que sus electrones van de un nivel mas interno a uno mas externo, cuando esa energía externa deja de actuar, el electrón vuelve a su nivel original emitiendo luz en una frecuencia determinada, esa luz forma una especie de código de barras característico de cada elemento http://anajesusa.wordpress.com/2006/12/16/espectros-discontinuos/

Con un CD en desuso se construye una red de difracción que se pueda adaptar a la lente de la cámara digital o simplemente sosteniendo con la mano un trozo de CD al que se le ha quitado la capa de aluminio con una cinta, delante de la lente de la cámara.

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Se busca un recipiente plástico que entre justo en el objetivo de la cámara, sirvió un tubo plástico de los que se usan en rollos fotográficos, se corta como se ve en la imagen a la derecha, también se corta el CD con la tijera previo marcar con un fibrón, la capa de aluminio se quita pegando cinta adhesiva y tirando enérgicamente. Luego se pega el circulo de CD por el lado de adentro.

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La cámara con el dispositivo montado.

Para capturar los espectros necesitaremos que el foco de la luz a estudiar sea puntual y no esté interferido por otros tipos de luz (es preferible hacer las tomas de noche)

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En esta imagen pueden verse dos espectros diferentes, uno de la luz amarillo/naranja de sodio del alumbrado público y otro de luz blanca de una lámpara de bajo consumo

Para analizar los espectros vamos a usar el software Tracker que ya hemos usado en las otras pruebas.

He colgado en youtube un tutorial para el uso de Tracker para analizar espectros

Cuando vamos a analizar un espectro es muy importante tener la mayor cantidad de información posible respecto a la fuente de donde proviene esa luz, en el ejemplo analizamos una luz amarilla que es bien conocida llamada luz de sodio, pero otras veces no conocemos el origen y por los picos que presente podemos intuir de que elemento se trate. Para poder calibrar el espectro con Tracker será necesario valernos de espectros de los que conozcamos la longitud de onda de sus picos

En esta imagen tomada de http://www.astrosurf.com/buil/us/spe2/hresol4.htm podemos ver las características del espectro del sodio, con la longitud de onda que corresponde a cada banda.

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El espectro del sodio (Na) es muy característico por presentar un “doblete” en la zona del amarillo, los picos de 5890-5896 Amstrong. Siempre que veamos el doblete en el amarillo podemos sospechar que haya sodio presente, por otra parte es un elemento muy común en la naturaleza. El hecho de identificar algunos picos resultará muy importante para conocer la longitud de onda de los demás picos e identificar los elementos que provocan esa luz.

El segundo espectro de la fotografía que corresponde a una luz blanca de bajo consumo tiene el espectro del mercurio, ya que los polvos blancos que revisten estas lámparas son sales de ese elemento.

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Estos son los picos característicos del Hg tomados de la misma página.

En el tutorial no he analizado el espectro del mercurio pero con la imagen que agregue mas arriba pueden hacerlo a modo de práctica y agrego esta imagen que salió muy linda

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  1. Analizando simulaciones en cámara lenta

Otra interesante aplicación de las filmaciones consiste en ver a cámara lenta modelos con los que es posible explicar ciertos fenómenos, analizaremos en este caso un tsunami

Simulación de un Tsunami.

El modelo es una bandeja de 1,40 mts de largo 0,10 m de alto y el ancho de 0,50m.

En uno de sus extremos se coloca un poco de cemento y arena simulando la costa.

Un tsunami es provocado por un movimiento vertical, en el modelo bajamos la bandeja de un extremo un centímetro mas o menos simulando lo que ocurre cuando chocan las placas tectónicas donde la corteza oceánica queda debajo de la continental provocando ese movimiento vertical.

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Tomado de http://novespacio.blogspot.com.ar/2011/03/movimientos-tectonicos.html

Esta bajada abrupta de la corteza oceánica hace que enormes masas de agua se desplacen hacia esa zona, cuando la corteza se reacomoda el agua forma una enorme ola que puede desplazarse miles de kilómetros y genera un tsunami en la costa distal.

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El mar se retira 30 metros en Islas Galápagos cuando ocurre el terremoto en Japón

Tomado de http://www.skyscraperlife.com/noticias-ve/53454-noticias-internacionales-%7C-actualidad-internacional-2.html

En el mar la velocidad de la ola es como la de un avión de pasajeros, alrededor de los 750 km/h sin embargo la amplitud de la ola es apenas visible

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Se puede ver claramente en la bandeja el nivel del agua, que coincide con lo antes dicho en el medio del mar es apenas perceptible

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En esta imagen se ve como la amplitud de la ola aumenta cuando choca con las playas, la enorme energía que trae en velocidad al ralentizarse hace aumentar la amplitud (altura de la ola), el agua de la bandeja sobrepasa el borde de la misma.

Pueden ver el video en cama lenta de la experiencia acá

El video fue tomado a 30 fps y con un editor de video se puso en cámara lenta, podrán notar la falta de suavidad en el movimiento, va como a saltitos, si grabamos con cámara de alta velocidad eso no se nota.

Pueden usar varios editores de video, a mi me gusta Ulead Video Studio

  1. Efecto estroboscópico

A veces es posible sincronizar el paso de los frames con los movimientos de algún objeto, en este caso vamos a realizar un curioso experimento con un chorro de agua.

Se necesitará un pequeño motor de algún juguete que funcione con 12 voltios, una fuente de tensión regulable de 0 a 12v una polea excéntrica y mangueras plásticas.

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Una vez armado conectamos la manguera a una canilla y abrimos de modo que salga un chorro continuo pero no muy potente, conectamos la fuente de 12v regulable y empezamos a darle tensión al motor, la polea excéntrica hará que la manguera vibre, con la cámara enfocamos y variando la tensión se verá el efecto deseado, el chorro del agua en espiral o zigzag.

  1. Fotografías en infrarrojo (Webcam)

El precio tan accesible de las webcam nos permite hacerles algunas maldades sin mayores culpas, ya que si la inutilizamos no será una pérdida onerosa.

El espectro de luz que percibe el ojo humano es apenas una muy pequeña porción del espectro electromagnético, con frecuencias que van mas o menos entre los 4000 y los 7000 Aº, la radiación infrarroja cercana va de los 8000 Aº a los 25000 Aº, muchos animales que ven parte de esta radiación, especialmente la de animales con hábitos nocturnos, los humanos no tenemos esa posibilidad.

El CCD (el sensor de la cámara digital) tiene la particularidad de poder “ver” parte del espectro de los infrarrojos cercanos, los IR son radiaciones electromagnéticas y térmicas. Todos los cuerpos que estén a una temperatura superior al 0º Kelvin (-273 ºC) emiten radiación infrarroja.

Como antes comenté las cámaras digitales pueden ver parte de ellos asi que vamos a hacer una pequeña cirugía a una webcam para adaptarla.

Sacamos la lente de la webcam, posiblemente haya que desarmarla quitando uno o dos tornillos, el sistema óptico esta enroscado en un plástico negro que a su vez esta fijo en la cámara

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Una vez tenemos la lente en la mano, veremos que en la parte que va hacia adentro hay pegado un pequeño cuadradito de un cristal que refleja rojo, ese filtro impide que los rayos infrarrojos lleguen al sensor, con cuidado lo vamos a despegar y guardar por si queremos volver la cámara a su estado original.

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IMG_0264Quitamos el filtro 

Volvemos a enroscar la lente y ensamblamos nuevamente la cámara con sus tornillos.

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Con negativo de foto a color o un viejo floppy disk vamos a fabricar un filtro para luz visible, y con una tapa plástica que entre en el objetivo de la cámara, igual a lo que se hizo para colocar la red de difracción para los espectros, solo que esta vez cortamos un circulo de la película o trozo de floppy y lo pegamos por dentro

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Listo, instalamos en el usb y probamos, se va a ver negro, con un control remoto que funcionan con estos rayos probamos, debe verse de un color violeta

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Para ver con este sencillo dispositivo es necesaria una fuente de IR, podemos construirla con varios led de los mandos a distancia y ver de noche una muy buena posibilidad para observar hábitos nocturnos de animales, el sol es una fuente de IR por lo que si vamos al patio veremos los vegetales de una manera distinta, espectral, muy particular.

Imagen4Imagen5A pleno sol, las hojas de los árboles se ven blancas y los tronos mas oscuros

  1. Usando la cámara con el microscopio (Webcam)

Hace algún tiempo publique en este mismo blog un paso a paso para usar la webcam acoplada al microscopio, ahora que tenemos las netbook este procedimiento resulta por demás atractivo ya que con solo un microscopio cada alumno puede ver en su pantalla, usando el programa que interconecta las maquinas de los alumnos con la del profe, o bien con una notebook y un cañón proyector.

Para detalles pueden ver acá: http://anajesusa.wordpress.com/2010/12/07/un-microscopio-para-20-alumnos/

  1. Aplicaciones para celulares y tablet con la cámara (Android)

En este último punto voy a enumerar algunas aplicaciones de Android que usan la cámara del móvil y que pueden ser de utilidad. Por supuesto ya saben las aplicaciones las bajan del mismo móvil con Google Play

Telémetro : podes medir la distancia, la altura y el ancho de un objeto mediante trigonometría con tu teléfono.

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https://play.google.com/store/apps/details?id=kr.sira.measure&hl=es_419

Motion Detector Pro: Es un detector de movimiento

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https://play.google.com/store/apps/details?id=dk.mvainformatics.android.motiondetectorpro.activity&hl=es_419

Color Detector: Capaz de detectar hasta 1600 colores

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https://play.google.com/store/apps/details?id=com.anmipo.android.colordetector&hl=es_419

BarCode Scanner: Lector de código de barras

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https://play.google.com/store/apps/details?id=com.google.zxing.client.android&hl=es_419

Cardiógrafo lee las pulsaciones del corazón

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https://play.google.com/store/apps/details?id=com.macropinch.hydra.android&hl=es_419

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Lanzamiento del globo experimental (segunda parte, éxitos y fracasos)

Finalmente el día 2 de Noviembre a las 11h30 pudimos efectuar el lanzamiento de nuestro globo, el día se presento bastante limpio de nubes y con algo de viento desde el sur. El horario y día de la semana (sábado) fue elegido siguiendo las recomendaciones de gente del ANAC ya que ese día hay menor cantidad de vuelos,  además para estar bien seguros de no interferir con el tráfico aéreo se usó una página en internet que muestra todas las aeronaves en vuelo http://es.flightaware.com/live/airport/SAEZ

vueloslinea

La carga total del globo se redujo al máximo, usando un único celular para filmar y como gps, en principio pensamos usar dos, pero luego de verificar que la batería soportaba una hora y media de filmación y el GPS funcionando durante varias horas más, optamos por solo un teléfono móvil, un Nokia 500 donado por la Cooperativa Eléctrica de Villa Huidobro, estos celulares tienen sistema operativo Symbian y la aplicación elegida para el seguimiento fue Phonelocator, esta aplicación envía con la frecuencia a la que se le programe desde el celu, coordenadas a un servidor y desde cualquier PC puede verse la posición del mismo. (Hay que suscribirse y es gratis)

phonelocator

Aspecto de la pantalla que muestra el servidor de Phonelocator, editada para marcar el lugar de lanzamiento y lugar de recuperación.

La aplicación también permite que en el caso que alguien con malas intenciones de devolver encontrara el celular y le cambiara el chip, el celular envía un sms a otro móvil que se establece desde el servidor, informando el nuevo número telefónico que tiene el equipo. También tiene una función (que no logramos hacer funcionar), por la que enviando un sms al celu desde otro móvil con la palabra “update” este devolvería un sms con las coordenadas, será motivo de investigar un poco más.

Se agregó un experimento biológico, en unos frascos plásticos se enviaron cucarachas y arañas, este experimento lamentablemente no lo pudimos evaluar por lo que comentaré mas adelante.

Inmediatamente debajo el globo va un paracaídas gentileza de AMSAT Argentina, que es de la misma marca de la sonda meteorológica Vaisala, obviamente mis chicos lo decoraron para agradecer a los comercios e instituciones que colaboraron con nosotros.

paracaidas

El paracaídas decorado

La “cabina” donde iba alojado el celular y los frascos con los insectos es de telgopor forrado con un un aislante térmico para techos que trae un aluminio reflectante en una de sus caras.

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Aspecto de la cabina, el agujero cuadrado coincide con la lente de la cámara del teléfono

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Por si no funcionaban los GPS, la nota que llevaba pegada.

Por último la sonda Vaisala que ya describí en otra entrada.

Galería de imágenes del lanzamiento gentileza de Silvia Suarez, una docente compañera

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Sala de telemetría

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Inflando el globo con helio

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Para un docente vivir el entusiasmo de los chicos es impagable

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Quinto “A” 2013  IPEMyA  188 Dr Antonio Perez

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Equipo en pleno

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Y sube!!!

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Adrenalina al máximo!

Video del lanzamiento gentileza de Sur TV cable Villa Huidobro

Fotos recuperadas del video que filmó el teléfono

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Los fracasos y los éxitos

Haciendo un balance y una reseña de los resultados, lamentablemente el globo no alcanzó la estratósfera, mas o menos a los 7000 metros aparentemente se fisuró  y comenzó a perder helio por lo que comenzó a descender, esto aparentemente se produjo por una prueba que hicimos tres días antes del lanzamiento, para verificar que el globo no estuviera pinchado lo inflamos con aire de un compresor y lo dejamos inflado hasta el día del lanzamiento, en efecto el globo no perdía pero la contextura del látex cambió, igual que un globo de cumpleaños, una vez que se infla y luego se desinfla ya no es el mismo, eso pasó con nuestro globo que quedó debilitado y al parecer con el aumento de tamaño por la baja de presión terminó rompiéndose. Si bien no se llegó a la estratósfera varias cosas salieron bien, el lanzamiento fue todo un éxito y el entusiasmo de los chicos y el público no se vio defraudado, la filmación del globo salió bien pensamos que sería conveniente agregar un filtro solar porque se ve un poco saturada de blancos, pero filmó el tiempo programado, también pudimos hacer el seguimiento con ambos GPS, el del teléfono y el de la sonda Vaisala, a la que pudimos escuchar y decodificar un buen rato con los programas Sondemonitor, eso nos dejó algunos datos con los que calculamos la altura alcanzada. El experimento biológico no pudo ser y la recuperación del globo fué recién después de 3 días ya que por falta de experiencia el mismo día fuimos hasta las coordenadas del último registro del GPS y como el globo aún tenía helio había seguido algunos metros mas y pifiamos el lote a revisar, asi que recien a la noche nos dimos cuenta del error y llevamos un mapa a la policía local que con una gran predisposición siguieron la línea de vuelo y recuperaron el globo a 1500 metros del sitio que indicaba el último registro.

Video gentileza de Sur TV Cable Villa Huidobro. Recuperación del globo.

Desde el punto de vista educativo, no se puede negar que fue una experiencia muy innovadora y que alienta a repetir, de hecho que a mi me sorprendió enormemente que los chicos no quisieran sortear uno de los celulares (que eran un premio al empeño en el proyecto) para realizar un nuevo lanzamiento el año próximo.

Repetiremos….

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Poderoso generador de Van Der Graaff con materiales de andar por casa

 

Si un profe de física quiere entusiasmar a sus alumnos el Van Der Graaff es ideal, la cara de los chicos jugando con esta máquina es indescriptible.

Con mis alumnos del Instituto Los Sagrados Corazones de quinto año nos propusimos armar un VDG de proporciones para hacer un proyecto que pronto comentaré y que me pareció muy original y motivador.

Construcción del Van Der Graaff

La esfera

La potencia de un Van der Graaff esta dada en gran medida por el ancho de la banda de fricción y por el tamaño de la esfera, para este modelo usamos una bombona de gas freón, el que se usa para las heladeras y splits, el tamaño es de unos 40 cm por 30 cm de diámetro, su formato es bastante apropiado no tiene puntas y la soldadura central es bastante pareja, aunque seguro habrá que pulir alguna gotita de metal que sobresale.

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Uno de los chicos con removedor quitó la pintura verde y la manija superior además pulió la garrafa.

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Con una amoladora se hizo la entrada de la columna, que no es mas que un tubo de PVC de 10 cm de diámetro. Debe hacerse un agujero bastante holgado porque para matar el borde filoso le soldaremos un caño de cobre con estaño.

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La garrafa presenta una especie de válvula de seguridad que habrá que rellenar luego con poxipol para evitar bordes afilados por donde escapen las cargas.

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Como dije para matar el borde se corta longitudinalmente un caño de cobre y en el corte se encaja el borde afilado, luego se suelda con estaño

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Detalle

Los rodillos

Ambos deben ser de materiales preferiblemente opuestos en la tabla triboeléctrica, se han usado teflón para el inferior y aluminio para el superior, en este caso el VDG será de cargas positivas

Siempre para que la correa no ande “bailando” es conveniente tornearlo en forma de barril. El rodillo inferior va solidario con una polea que va a un motor de licuadora.

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El rodillo de teflón, esta presentado en unos soportes con bujes de bronce, luego se cambiaron por bujes de teflón como se ve en la siguiente imagen

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Para estirar la correa se montó el rodillo en un tablero de fibrafacil que tiene bisagras del lado opuesto al de la foto y permite con la mariposa subir y bajar el conjunto.

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El detalle del rodillo inferior y el peine. La correa que lo hace girar es una correa dentada de una impresora de matriz de punto, se corta y se hace un empalme dejándola a la medida y usando cianoacrilato (La gotita).

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El rodillo de aluminio

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El rodillo superior de aluminio montado en unas horquillas donde gira libremente, esas horquillas también pueden subirse o bajarse en caso de estiramiento de la banda. El peine superior e inferior están hechos de chapa de cobre y clavos, soldadas las cabezas de los mismos con estaño. Para sostener la esfera una U de caño de cobre.

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La U y el peine superior

El motor

Como ya comenté es un robusto motor de licuadora a carbones controlado con un dimmer, ya que levanta muchísimas vueltas.

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Circuito del dimmer

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El motor esta montado en otro trozo de madera con correderas para poder ajustar la correa dentada. En la imagen pueden verse las bisagras que mencioné antes para ajustar la banda de fricción.

La banda de fricción

Esta hecha de foami, gomaeva como se la conoce en argentina, si bien no es muy fuerte dura bastante tiempo, el problema mas grande es que se desgasta en los bordes y ensucia de partículas que se pegan en el interior del caño que hace de soporte, otro problema es que al ser medio esponjosa retiene bastante la humedad. La banda de este VDG es de dos colores, no alcanzó una sola plancha de foami, se pega muy bien con cianoacrilato. Las uniones van en chanfle. El ancho es de 8 cm

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El soporte

La columna esta construida con caño PVC de 10 cm de diámetro y 120 cm de alto, en la parte superior se le acondiciona una tapa ciega que se corta para soportar el rodillo superior que debe estar bien aislado de la esfera y el peine.

La parte inferior tiene un accesorio de PVC donde encaja el tubo y se mantiene firme. Este accesorio va atornillado en una madera que esta a unos 20 cm sobre la madera que tiene el motor y el rodillo inferior.

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Las pruebas

En este mismo blog estan las diez pruebas con el Van Der Graaff que escribí en su día.

http://anajesusa.wordpress.com/2006/10/22/diez-experimentos-con-el-van-der-graaff/

Estas son unas fotos y unos videos de mis alumnas con los pelos de punta

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Tengo que reconocer que algunas no se ven muy distinto al aspecto que presentan a las 7h30 cuando entran al cole :)

 

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Todo un show estas niñas

 

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Ciclotrón didáctico (de macropartículas)

El ciclotrón es un acelerador de partículas que presenta la ventaja de conseguir buenas aceleraciones sin la necesidad de altas tensiones, se trata de dos semicírculos huecos enfrentados de sus partes planas, estos semicírculos se les llama Ds, perpendicular a estas hay un campo magnético uniforme.

Ambas D, están conectadas a un generador de radiofrecuencia (una corriente alternada) de modo que la partícula cargada que se encuentre ambas D será atraída en un momento hacia la D que tenga polaridad opuesta y hacia allí se acelerará, a su vez el campo magnético hará que su trayectoria se curve, como la corriente que alimenta es alterna (radiofrecuencia) en el momento que la partícula quede dentro de la D ésta cambiará su polaridad y así la partícula se verá repelida a la vez que es atraída por la otra, siempre girando en forma de espiral debido al campo magnético, así se repite el ciclo hasta que por el tamaño físico del ciclotrón la partícula sale por un canal acelerada (no esta dibujado en el diagrama adjunto), cuantos mas giros consiga hacerle dar a la partícula mayor será la aceleración alcanzada.

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http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cyclotron_patent.png

Hacer un ciclotrón no es sencillo se deben manejar unos electroimanes muy potentes y no esta al alcance de un laboratorio de aficionado, aunque algunos lo han conseguido.

Como forma demostrativa  de este dispositivo que les presento este arreglo que servirá muy bien.

Necesitaremos una tulipa de iluminación o una ensaladera plástica con esta forma

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IMG_0123 Nótese que las tiras de aluminio están unidas en forma alternada, quedará una positiva seguida de una negativa, las que no llegan al centro están unidas por afuera

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Como fuente de alta tensión puede usarse un Van Der Graaff , una fuente hecha con un flyback o una máquina de Winshurst.

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El dispositivo armado, conectado a la fuente de alta tensión

La partícula a utilizar será una pelota de ping pong pintada con tinta china para hacerla conductora. Las cintas son de foil de aluminio de tipo usado para horno de cocina, van pegadas a la tulipa con cemento de contacto.

Antes de poner en marcha el dispositivo, conviene colocar en el centro (en el cruce de las dos cintas) un cilindro aislante, en este caso usé un acople rápido de manguera de jardín, pero puede usarse un tubo de pvc o un frasco plástico cualquiera.

IMG_0125 La pelota de ping pong debe estar pintada con tinta china, de otro modo no funcionará, también puede verse el cilindro aislante que ayudará a que arranque en forma inmediata

Cuando le demos la tensión inmediatamente la pelota comenzará a girar cada vez con mayor aceleración, (tratar de no darle mucha tensión para que no salten arcos entre las cintas).

Si bien el funcionamiento se basa en atracción y repulsión de la partícula cargada y el giro no lo da un campo magnético sino la misma forma del recipiente, es muy demostrativo de lo que ocurre en el ciclotrón.

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