Motor eléctrico casero

Objetivo

Percibir la relación que existe entre la electricidad y el magnetismo y entender cómo gracias a esta es posible construir máquinas como los motores eléctricos.

Introducción

Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en un movimiento circular. Su funcionamiento se basa en la relaión existente entre la corriente eléctrica y los campos magnéticos. Resumiendo, esta relación consiste en que una corriente eléctrica crea un campo magnético y un imán puede, a su vez, crear una corriente eléctrica.

Esta interacción se descubrió hace unos 200 años cuando un científico se dio cuenta de que la aguja de su brújula se movía cuando acercaba un cable por el que circulaba corriente. Poco después, otro científico llamado Faraday decidió aprovechar este efecto para construir el primer motor eléctrico. La idea era sencilla, igual que la aguja de una brújula gira cuando se aproxima una corriente se podría hacer girar un eje y aprovechar ese movimiento para realizar un trabajo.

En definitiva, un motor eléctrico como el que se va a fabricar en este taller consta de un imán permanente (como los de la nevera de casa) y lo que llamamos una bobina, que no es otra cosa que un cable enrollado varias vueltas (como puede verse en la imagen):

Como se ha dicho, al hacer circular una corriente por la bobina se crea un campo magnético, por lo que esta se convierte en un imán. Cuando dos imanes se aproximan por polos opuestos se atraen y cuando lo hacen por polos iguales se repelen. Basándose en esto, se consigue hacer girar el eje, precisamente debido a la interacción entre los dos imanes, el permanente y el de la bobina con corriente.  

Material necesario

• Una pila AA 
• Cinta aislante 
• Dos clips 
• Un imán 
• Cable de cobre esmaltado (diámetro entre 0.5 y 0.7mm) 
• Papel de lija o tijeras 
• Un tubo (como un rotulador grueso) 

Instrucciones

Esta actividad se realizará en grupos de 5 alumnos, que se repartirán los distintos trabajos: doblar los clips, montar la bobina, lijar los extremos de la bobina, pengar los clips y el imán a la pila...

La duración estimada es de unos 40 minutos:

• Introducción: 10 minutos
• Construcción del motor: 15 minutos
• Experimentación con el motor: 5 minutos
• Aclaración de dudas: 10 minutos

Aplicaciones

• Motores de coches eléctricos
• Relojes mecánicos
• Motores de impresoras 3D
• Robots de todo tipo: manipuladores, médicos, ensambladores...

¿Conductor o no conductor?

Objetivo

Compreder la utilidad de modificar las propiedades de los materiales para ciertas aplicaciones tecnológicas como, por ejemplo, la conducción de electricidad.

Introducción

Numerosos investigadores: físicos, químicos, ingenieros... de todo el mundo dedican su trabajo a descubrir nuevos materiales que puedan cumplir adecuadamente la función para la que han sido diseñados. El problema es que, a menudo, no es posible encontrar en la natrualeza productos que cumplan todas las características que se espera que tengan. Por ello, es frecuente introducir modificaciones para mejorar sus propiedades, ya sean: la resistencia, la conductividad térmica, la dureza, la conductividad eléctrica... Un buen ejemplo de esto lo encontramos en los aceros que se utilizan en todas las construcciones. Estos no son otra cosa que una mezcla de hierro con otros metales que al combinarse adquieren muy buenas propiedades de resistencia.

Esta práctica consiste precisamente en modificar un producto (agua) añadiéndole otro elemento (sal en nuestro caso) para variar una de sus propiedades (la conductividad eléctrica). Así, se verá cómo el agua sin sal no conduce la electricidad bien mientras que el agua con sal sí que lo hace, siendo así posible encender una bombilla. 

Es importante remarcar que en la mayoría de los casos no se puede decir que un material posea o no posea una propiedad. Por ejemplo, no see debe decir que la plastilica no tenga dureza y el acero sí, lo que ocurre es que la dureza del acero es mucho mayor que la de la plastilina. Pues lo mismo ocurre con la conductividad eléctrica. El agua es mucho mejor conductor que otros materiales como el plástico, el vidrio, la madera o el aire, sin embargo, si se le añade sal su conductividad crece muchísimo. Por eso es peligroso bañarse en una piscina durante una tormenta de rayos, pero lo es aún más hacerlo en el mar, por la sal que contiene. A continuación se muestra una tabla con algunos valores de conductividad (en Siemens, que es la unidad utilizada) de diferentes materiales:

Material necesario

• Una pila de petaca 
• Un vaso de plástico grande 
• Una cucharada de sal 
• Cable de cobre 
• Cinta aislante 
• Agua 
• Una bombilla o un led 

Instrucciones

Este taller se llevará a cabo en grupos de 3 alumnos ya que el montaje es sencillo.

La duración será aproximadamente de 40 minutos:

• Introducción: 10 minutos
• Montaje: 15 minutos
• Experimentación: 10 minutos
• Discusión de los resultados y sus aplicaciones (en pilas y baterías): 5 minutos

Aplicaciones

La modificación de propiedades en los materiales es muy frecuente:

• Adición de pigmentos en pinturas y barnices para mejorar la apariencia visual y la protección de los objetos.
• Mezcla de fibras para la fabricación de ropa especial.
• Tratamientos térmicos (aplicación de calor y frío) en los metales para ganar dureza o resistencia.
• Adición de azufre al caucho para fabricar neumáticos elásticos.

¿Botella azul o transparente?

Objetivo

Experimentar con una reacción química real y entender cómo a través de estas se pueden transformar unas sustancias en otras.

Introducción

Aunque suelen pasar desapercibidas, constantemente ocurren a nuestro alrededor multitud de reacciones químicas que nos afectan muy directamente. Por ejemplo, las plantas transforman el dióxido de carbono del aire y el agua que absorben en oxígeno y glucosa a través de la fotosíntesis, que es una reacción química. Cuando encendemos un mechero se produce otra reacción, en este caso se transforma metano y oxígeno en dióxido de carbono y vapor de agua. Y también cuando se oxida una barandilla de metal, es debido a otra reacción química, en la cual el metal (que suele ser hierro) reacciona con el oxígeno del aire y produce el óxido que podemos ver.

Por tanto, podemos ver cómo en las reacciones químicas se transforman unas sustancias en otras, exactamente de la misma manera que vamos a ver en esta práctica. A las sustancias presentes al principio de la reacción se les llama reactivos y a las que quedan una vez se ha llevado a cabo la reacción se les llama productos.

En el experimento de la botella azul vamos a poder observar dos reacciones distintas:
Por una parte la reacción del azul de metileno con la glucosa (reactivos), que dan como productos dos sustancias incoloras. Por este motivo, observaremos cómo cuando se produce esta reacción la disolución es transparente.

• Por otra parte, cuando los productos de la reacción anterior reaccionan con el oxígeno (al remover la botella) se vuelve a formar azul de metileno por lo que la disolución vuelve a adquirir su característico color azul. Cuanto más removamos mayor será la intensidad del azul.

• En este caso, es sencillo ver cuando se produce una u otra reacción, ya que se produce un cambio en una propiedad, el color. Sin embargo, en muchas otras reacciones no se aprecia una variación de color, lo cual no quiere decir que no se estén produciendo cambios en las sustancias que reaccionan.

Material necesario

• Una botella de plástico.
• Una pizca de azul de metileno.
• Unos 3 gramos de hidróxido sódico (media cucharadita de café).
• Unos 3 gramos de glucosa.

Instrucciones

Esta actividad se realizará en grupos de tres o cuatro alumnos.
La duración será aproximadamente de 40 minutos:

• Introducción: 10 minutos 
• Preparación de la disolución: 10 minutos 
• Experimentación: 10 minutos 
• Explicación de la reacción: 10 minutos

Aplicaciones en el mundo real

• En la industria alimentaria es muy frecuente añadir pequeñas cantidades de sustancias que evitan precisamente que se produzcan reacciones que puedan estropear la comida. Por ejemplo, las bolsas de patatas se rellenan con gas nitrógeno para evitar que estas reaccionen con el oxígeno del aire.
• Todos los medicamentos se fabrican mediante reacciones químicas complejas a través de las cuales se logra sintetizar compuestos con propiedades muy especiales.
• Los pesticidas también se producen a partir de productos químicos cuyas características evitan el ataque de las plagas.

Conversor de líquidos

Objetivo

Comprender el concepto de presión de un fluido, gas o líquido, y en particular la presión que el aire ejerce sobre todos los cuerpos que se encuentran inmersos en la atmósfera de la Tierra (presión atmosférica).

Introducción

Antes de nada, hay que recordar que llamamos fluidos a todos los cuerpos que toman la forma del recipiente que los contiene. En otras palabras, llamamos fluidos tanto a los líquidos como a los gases. Algunos ejemplos de esto son:

• El agua
• El aire
• El aceite
• El gel de baño
• La miel

Todos los fluidos ejercen sobre las paredes del depósito en el que se encuentran una cierta presión. Por ejemplo, cuando se hincha un globo el aire en su interior (que es un fluido) realiza una presión sobre el plástico. Cuanto más aire se introduce mayor es esa presión, pudiendo llegar a romperse el globo si esta crece demasiado. De la misma manera, las paredes de una piscina tienen que diseñarse para soportar la presión de todo el agua que va a contener.

La presión que más directamente nos afecta en nuestra vida cotidiana es sin duda la de la atmósfera. Aunque no solemos ser conscientes de ello, nuestros cuerpos soportan en todo momento una presión muy elevada, equivalente nada menos que a la presión que realiza sobre nosotros el agua cuando buceamos a 10 metros de profundidad. Lo que ocurre es que ya nos hemos acostumbrados y no nos supone ningún inconveniente.

Centrándonos en las aplicaciones tecnológicas del estudio de los fluidos, numerosas máquinas como gruas, brazos robóticos, excavadoras... se basan en la presión de un fluido (normalmente agua, aire o aceite) para realizar su trabajo. Además, en medicina, existen numerosas aplicaciones relacionadas con la física de los fluidos, ya que entre otros, la sangre al circular por venas y arterias se comporta de manera similar a como lo hace el agua por los circuitos de tuberías. Todo esto sin contar con la importancia en el diseño de los medios de transporte, al fin y al cabo un avión es un vehículo que "bucea" en una piscina de aire. Y un barco es una máquina que se desplaza parte bajo el agua y parte a través de la atmósfera.

En esta práctica se pretende comprender cómo se comportan dos fluidos: el agua y el aire, cuando interaccionan entre sí. analizando el efecto de sus respectivas presiones.

Material necesario 

• Dos botellas de plástico 
• Un embudo 
• Cuatro pajitas de plástico 
• Agua y un refresco de color 
• Un vaso de plástico 
• Tijeras y utensilios para perforar las botellas 
• Alguna sustancia selladora de juntas 

Instrucciones

Esta maqueta se construirá en grupos de 4 o 5 alumnos dada su relativa complejidad de montaje.

La duración de la actividad será de 40 minutos:

• Introducción: 10 minutos
• Construcción de la maqueta: 15 minutos
• Experimentación con el montaje: 10 minutos
• Dudas y aclaraciones sobre el funcionamiento: 5 minutos

1. Realizar un agujero en cada tapón con la barrena y agrandarlo con un destornillador.

2. Sellar las pajitas en forma de L a los tapones con la silicona.

3. Realizar en cada botella dos agujeros de la misma forma, uno de ellos a mayor altura que el otro y sellar las pajitas con la silicona.

4. Con un objeto cónico agrandar una de las pajitas en forma de L y la de la botella cuyo agujero está a mayor altura. 

5. Montarlo todo de la siguiente manera.

6. Añadir agua a las botellas aproximadamente hasta los niveles de la imagen y colocar un vaso vacío debajo de la pajita de la derecha.

El resultado será algo como esto:

Aplicaciones en el mundo real

• Gruas, excavadoras...
• Máquinas elevadoras
• Brazos robóticos
• Instrumentación médica, jeringuillas...
• Diseño de medios de transporte: aviones, barcos, coches...