Experimentos con arena. Propiedades de los Medios Granulares

Experimentos con arena
aquí estudiamos algunas propiedades de los medios granulares

 

Otros experimentos   Experimentos con arena
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De donde viene la arena?

MATERIALES :

1 lata o recipiente limpio con tapa  
algunas piedras, cascotes, tiza y si encontrás algun pedacito de metal  

PROCEDIMIENTO:

  1. Meté los ingredientes (piedras, cascotes, etc.) en el recipiente. Ajusta bien la tapa.
  2. Agitá vigorosamente durante un rato. Abrí el recipiente y mirá en el interior, vas a ver que en el fondo se junto una cantidad de polvo apreciable.
  3. Retiralo y analizá su composición: verás que hay algo de este polvito que viene de las piedras, algo del cascote y algo de la tiza.

Lo mas probable es que se haya producido mucho polvo de tiza. Porque? Naturalmente porque de todos los materiales la tiza es el mas blando. Debido a la agistación del recipiente los objetos comenzaron a chocarse unos con otros, esto provocó que algunos trocitos de cada material se fueran desprendiendo y acumulándose en el fondo.

Con algunas variantes esto mismo pasa en la naturaleza: por diversos motivos las rocas se golpean unas con otras y se desprenden pequeños pedazos que a su vez chocan y chocan dividiéndose cada vez más hasta quedar en la forma de arena o polvo. A este fenómeno se lo conoce como erosión.

Las olas que rompen en la costa proporcionan un medio muy adecuado para que las rocas choquen unas contra otras. Si bien una sola rompiente no puede producir gran cantidad de arena, en un solo dia se producen mas de 8000 rompientes. Multiplica este numero por la edad de nuestro planeta, te parecerá asombroso que todavia existan montañas!

También se produce arena cuando rocas de distintos tamaños chocan entre si al ser arrastradas por un rio caudaloso. Normalmente, el rio arrastra la arena producida y la deposita en la desembocadura. A veces la arena se acumula en la desembocadura y se produce un delta. Si esto no pasa es porque el mar arrastra la arena y la distribuye por toda la costa.

Ver otro experimento


El agua y su aporte a la generación de arena

MATERIALES:

1 botellita plástica con tapa  
1 Heladera con freezer o congelador  

PROCEDIMIENTO:

Llená la botellita de agua hasta el cuello hasta que queden unos dos centimetros hasta la boca de la botella. Tapala bien. Dibujá una linea en la botella para indicar el nivel de agua. Mete la botella parada en el freezer. Esperá unas horas. Sacá la botella del freezer y compara el nivel de agua con la marca que hiciste antes. Que pasó?

El agua congelada ocupa un volumen mayor que el agua líquida.

Imagina que una cierta cantidad de agua líquida queda atrapada en las grietas de una roca. Luego viene el invierno y la temperatura baja tanto que el agua se congela. Por lo que pudiste comprobar con el experimento, en este estado el agua ocupa más volumen, por lo tanto hará una mayor presión sobre las paredes de la grieta haciendo que se agrande un poco. Si este proceso se repite durante millones de años es posible que alguna vez la roca se parta en pedazos. A su vez estos pedazos sufren un proceso de erosión similar y se rompen. Y asi siguiendo.

Luego el rio crece, arrastra algunas rocas y el proceso de erosión continúa como ya vimos.

Ver otro experimento


Avalancha de fideos

MATERIALES NECESARIOS:

1 recipiente con tapa transparente fideos municiones
arena avena o cualquier cosa en forma de granitos

PROCEDIMIENTO:

  1. Llena el recipiente de arena hasta la mitad y ajustá la tapa.
  2. Si el recipiente es cilíndrico ponelo horizontal y que el nivel de la arena sea paralelo al de la mesa. Como en la figura.
nivel de arena paralelo a la mesa gira un poco mas y se produce la avalancha
  1. Gira lentamente el recipiente como indica la figura. En algun momento se produce una avalancha de arena.
  2. repeti el experimento reemplazando la arena con harina. Notas alguna diferencia?
  3. Una vez más pero con fideos municiones.

Cuando el ángulo de inclinación de la pila de arena es pequeño los granos estan en equilibrio y la pila entera se comporta como un sólido. Al aumentar el ángulo de inclinación algunos granos pierden su condición de equilibrio y caen. (si te interesa entender mejor porque se desequilibran hacé click acá). Si el ángulo de inclinacion es el adecuado, los granos que caen arrastran a otros y estos a otros provocandose una avalancha. Y esto es lo mas dificil de entender: en el momento de empezar la avalancha el ángulo es mayor que cuando la avalancha termina. Básicamente esto es asi porque los granos de arena en la parte de arriba de la pila cayeron y se acumularon en la parte de abajo.

Repetí el experimento reemplazando la arena por harina. Seguramente va a comprobar que hay que inclinar mucho más el recipiente para producir una avalancha.

Mas aún, seguramente antes de empezar la avalancha observaste que se formaron algunas grietas en el masacote de harina. Estas dos observaciones, bastante diferentes a lo que viste con la arena, indican que la harina tiene un comportamiento diferente. La diferencia se basa en que los granos de harina son mucho (muchísimo) mas pequeños que los granos de arena. Un grano de arena puede ser individualizado, pero dificilmente puedas ver a simple vista un "grano" de harina. Por eso es que a materiales como la harina se los denomina polvos. En los polvos los granos pueden atraerse electostáticamente entre si, creando un efecto de cohesión que en la arena seca no existe. La cohesion es la responsable de que debas inclinar mucho el recipiente para producir una avalancha.

Dijimos que en la arena seca el efecto de la cohesion no se observa. Probá de repetir el experimento con arena húmeda. Vas a comprobar que la cohesión entre los granos aumenta notablemente. Y la consecuencia es que la avalancha de arena húmeda se producirá cuando el ángulo de inclinación sea mucho mayor que en el caso de arena seca.

Podés repetir el experimento utilizando varios medios granulares que podés encontrar en la cocina de tu casa. Fideos de la sopa, arroz, polenta, azucar, cafe, etc. y observar cuales son las diferencias entre las distintas avalanchas.

Ver otro experimento


Descarga de arena por gravedad

Este experimento ilustra una propiedad muy interesante e importante de los medios granulares.

MATERIALES NECESARIOS: un poco de arena, dos vasos largos de plástico, dos sorbetes, agua, una regla larga.

PROCEDIMIENTO:

Practica un agujero del diametro del sorbete, en el lateral inferior del vaso.

Corta un tramo del sorbete de aproximadamente 3cm y conectalo al vaso. Sella la unión con plastilina (si tenes algun sellador com el Fastix mejor). Que el tramo de tubo apunte parcialmente hacia abajo.

En primer lugar coloca el vaso sobre algun soporte alto, 30 o 40 cm va a esta bien.

Tapá el extremo del tubo con tu dedo y llena el vaso de agua. Una vez hecho esto saca tu dedo para dejar que el vaso se descargue. Coloca debajo una bandeja para que no se desparrame el agua.

Observa que pasa con el chorrito de agua a medida que el vaso se descarga. Usa una regla para medir el alcance del chorrito.

Vas a observar que el alcance disminuye paulatinamente y el chorrito pierde "fuerza". Finalmente se convierte en un hilo de agua pegado a la pared del agua.

Ahora repeti el experimento usando arena en lugar de agua. Por supuesto antes que nada hay que secar muy bien el vaso para que la arena no se pegotee. (Ver figura)

Usa la regla para medir el alcance del chorrito de arena.

Vas a observar que el flujo de arena no pierde fuerza a medida que el vaso se descarga.

La explicacion de estos fenómenos es la siguiente:

En el primer experimento, el agua que esta por encima del tubo de salida tiene un cierto peso. Ese peso realiza una presión sobre el agua que esta cerca del tubo que, por esa razón, sale despedida con fuerza. Lógicamente, con el paso del tiempo el vaso se va vaciando y cada vez es menor la cantidad de agua por encima del tubo de salida. Por lo tanto, la presión disminuye y el chorro de agua se debilita cada vez mas.

En el segundo experimento, la arena que esta por encima del tubo de salida tiene un cierto peso. Pero este se reparte hacia los costados del vaso y no hacia abajo como sucede con el agua. Por esta razón la arena que esta cerca del tubo de salida no experimenta el peso de la arena que esta por encima porque fue absorbido por la pared del vaso y puede caer por el tubo siempre con la misma intensidad formando un chorrito constante.

Ver otro experimento

 


Un reloj de arena plano

El objetivo de este trabajo es construir un reloj de arena "plano". Con este dispostivo vamos a ilustrar una propiedad muy importante de los medios granulares: la formación de arcos. Sin embargo, el mismo se puede utilizar para realizar otros experimentos interesantes y sencillos que esperamos incluir muy pronto en esta sección.

MATERIALES: Dos placas de vidrio o acrílico transparente de 25cm x 25 cm . Varillas de madera balsa, Varias prensas sujetapapeles.

PROCEDIMIENTO:

  1. Tomar tres varillas de aproximadamente 25cm de largo por 0.5cm de ancho y colocarlas sobre el borde de uno de las placas de vidrio en forma de U.
  2. En el lado libre colocar dos varillas de 10 cm en forma de V, sin que se toquen, como se indica en la figura.
  3. Colocar encima la otra placa de vidrio y sujetar ambas placas con varias prensas de papel (dos para cada una de los tres lados con varilla serán suficientes). La distancia entre las dos placas deberia ser de uno o dos milímetros. Ya tenemos el reloj de arena plano.
  1. Ahora coloca el reloj en posición vertical y llena la V, de ahora en más "embudo", con una cierta cantidad de arena seca.
  2. La arena comenzará a salir por el extremo del embudo formando una pila triangular en la parte inferior del reloj. Ver fotos.
Formación de un pila de arena en un reloj de arena plano

Si el agujero de salida es grande, el embudo se vaciará enseguida y sin problemas. Achicá el agujero moviendo con cuidado una de las varillas del embudo (quizas debas sacar las prensas) y repeti el experimento. Es probable que ahora se produzca un atascamiento a la salida y se detenga el flujo de arena. Si ello no ocurre, achica el agujero un poco más hasta que lo consigas.

Cuando se produzca un atascamiento de arena, trata de medir con una regla el ancho del agujero. Es muy probable que este ancho se reduzca a unas pocas décimas de milímetro. Intentá mirar de cerca la forma del atascamiento. Se parece a un arco?

Repetimos el experimento pero utilizando granos mas grandes, por ejemplo fideos de la sopa (municiones). Empezá con un agujero grande (por ejemplo, un centímetro de ancho) y observa la forma de la pila de fideos que se va formando en la base del reloj plano. Difiere en algo de la pila de arena?

Ahora achica el agujero y repeti el experimento. Se produce un atascamiento? Si no, achica un poco mas hasta que consigas que se forme un atascamiento de fideos a la salida del embudo.

Atascamiento en  la descarga de un silo bidimensional. Observación del fenómeno de formación de arcos.

Miralo de cerca, ahora sí es posible ver bien la forma del atascamiento porque los fideos son mucho mas grandes que la arena. Sin duda que el atascamiento tiene la forma de un arco. Contá cuantos granos forman ese arco. Seguramente ese número está entre 5 y 10, no es asi?

Lo primero que podemos decir con respecto a este experimento es que: cualquiera sea la forma del agujero de salida y cualquiera sea el tamaño de los granos, se va a producir un atascamiento (y por lo tanto un arco) cuando el diámetro del agujero sea aproximadamente 5 a 10 veces el tamaño de un grano (esto es solo aproximado). Si es más grande, se pueden producir atascamientos pero con menor frecuencia.

En segundo lugar, hay que notar que todos los granos que quedaron por encima del arco estan siendo sostenidos por el arco.

Esta idea ha sido aprovechada muchas veces por los arquitectos del pasado (y del presente) para construir grandes obras. Un ejemplo, muy famoso es el de Acueducto de Segovia, una construcción de la epoca de los romanos que todavia sigue en pie a pesar de que en su construcción no se utilizó ningún tipo de cemento entre los bloques de piedra. En la imagen se puede ver un arco del acueducto.

El arco no se derrumba y la estabilidad esta garantizada por los bloques que estan por encima. Cuanto mas peso se coloque por encima del arco mas estabilidad tiene.


Otros experimentos con arena

Segregación

MATERIALES: el reloj de arena plano construido en el experimento anterior, una mezcla por partes iguales de arena y azucar.

PROCEDIMIENTO:

  1. Homogeneizar en un recipiente cualquiera la mezcla de arena y azucar.
  2. Poner el reloj plano en forma vertical y verter la mezcla granular por el cono del reloj.
  3. A pesar de que en el recipiente la mezcla es homogenea, observamos que en la pila de arena los granos se separan.
  4. Se observa una sucesión de franjas inclinadas amarillas (arena) y blancas (azucar).
las franjas son paralelas demostrando que la avalancha es independiente del tamaño de la pila
Pila bidimensional de arena
y azucar mostrando efectos
de segregación

Ver otro experimento


Efectos de la rotación sobre una pila de arena

MATERIALES: caja de vidrio construida para el reloj plano, arena, hilo resistente.

PROCEDIMIENTO:

  1. Llenar la caja de vidrio con arena hasta la mitad (si no se dispone de la caja de vidrio puede utilizarse en su reemplazo una caja de CD vacia debidamente sellada).
  2. Agitar un poco la caja hasta que la superficie de la pila de arena quede horizontal, como se ve en la fotografia. Con un marcador, trazar una linea sobre el vidrio que marque el nivel de la pila de arena.

Caja de arena plana. Para construirla se utilizaron dos placas de vidrio, tres bandas de goma EVA amarilla de dos milimetros de espesor y varios sujetadores de papel.
   
  1. Sujetar la caja con el hilo resistente como indica la figura. La idea es que pueda girar sobre un eje perpendicular al plano horizontal.
  2. Hacer girar la caja sobre su eje varias veces hasta que la arena en su interior se mueva.
  3. Si la arena no se desplaza aumentar la velocidad de giro con cuidado de que el hilo no se rompa.
  4. Observar como ha cambiado la forma de la superficie.
   
La fotografia de la derecha muestra el resultado de este experimento. Obsérvese como se ha modificado la forma de la superficie libre. Parte de la arena se movió hacia afuera acumulándose en las paredes laterales de la caja. Esta porción de arena se encuentra sobre la linea marcada en el vidrio. Mas hacia el centro vemos que se ha se ha producido un pozo. Este pozo se encuentra bajo el nivel de la linea. Como resultado de la acumulación en los laterales y la formación del pozo se observa que se ha formado un pico en la región central. La punta del pico deberia coincidir aproximadamente con el nivel inicial, como mucho deberia quedar un poco mas abajo. Esto demuestra que la arena en la parte central prácticamente no se desplazó.
Click sobre la imagen para agrandarla.

Tratemos de analizar este fenómeno con más detalle. Cada grano de arena en la superficie esta sujeto a varias fuerzas. Mientras la caja esta quieta las unicas fuerzas que actuan son el peso del grano y las reacciones normales debido a que el grano se apoya sobre otros granos. Cuando hacemos girar la caja aparecen dos nuevas fuerzas, una es la fuerza centrífuga y la otra es el rozamiento estático. La figura muestra como actuan estas fuerzas sobre dos granos de arena (exagerados) que se encuentran a distinta distancia del centro de rotacion.

La fuerza centrífuga es proporcional al radio de giro. Por eso el grano que está cerca del centro de rotación siente una fuerza centrifuga pequeña (flecha negra) y el que está lejos del centro una fuerza centrífuga mayor. Además, los granos experimentan una fuerza de rozamiento estático (flecha roja) que se opone a la fuerza centrifuga. Esta fuerza aparece por el contacto con los demás granos. Ahora bien, la fuerza de rozamiento estática puede crecer hasta cierto valor llamado rozamiento estático máximo cuyo valor depende del peso del grano y del tipo de contacto con los demas granos.

Si la fuerza centrífuga es mayor que el rozamiento estático máximo se produce un desbalance que desplaza el grano hacia afuera. Esto ocurre para cierto valor de la distancia al centro de giro. Todos los granos que esten mas lejos se desplazarán hacia afuera mientras que todos los que esten mas cerca no se moverán.

La figura que se ha formado en la superficie de arena durante el giro queda "congelada" si tenemos cuidado al frenarla. Precisamente esta propiedad es la que ha permitido tomar la fotografia.

Que pasaria si en lugar de arena llenamos la caja con igual cantidad de agua? Recordemos que el agua es un líquido y como todos los líquidos no puede "resistir" esfuerzos de corte. Ante la aplicación de una fuerza como la centrifuga los elementos del fluido se van a mover. La figura muestra lo que sucede mientras la caja gira.

Cada elemento del fluido experimenta una fuerza centrifuga que lo desplaza hacia afuera. Aun los que estan cerca del centro son expulsados hacia afuera porque aqui no hay rozamiento estatico. Se produce un hueco en el centro y se acumula fluido en los bordes. Si el giro se detiene la superficie del fluido vuelve a su posicion horizontal, ese es el efecto de la fuerza de gravedad. La gravedad quiere que la superficie este plana y horizontal. En resumen: cuando ponemos agua en la caja compiten dos efectos: el de la fuerza centrifuga que desplaza el liquido hacia afuera creando un hueco y el de la fuerza de gravedad que tiende a aplanar la superficie. Como consecuencia se establece un equilibrio de efectos y la superficie adopta un perfil parabólico. si giramos más rapido el efecto centrífugo se acentúa y la superficie se curva más. Si giramos mas lento prevalece el efecto gravitatorio y la superficie se achata.

Ver otro experimento


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