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• Memo Peña Ávila

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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA JOSÉ SIMEON CAÑAS

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS ENERGÉTICAS Y FLUIDICAS MECÁNICA DE FLUIDOS I

“ESTRELLA DE PALILLOS”

Catedrático: Ing. Roberto Deleón Instructor: Cesar Granados Alumnos: Francisco Josué Rivera Escobar Juan Carlos López Bonilla Florencia Denis Villanueva Raul Arturo Cordova Herrera Martha Maria Serrano Nuila Guillermo Armando Peña Avila Ximena del Carmen Aquino Escobar

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Fecha de entrega: Martes 14 de Septiembre de 2010.

INTRODUCCION

La capilaridad es una consecuencia directa de la tensión superficial de un líquido, y se considera como el ascenso o descenso de un líquido en un tubo de diámetro pequeño insertado en un líquido. Los tubos angostos o canales de flujo se conocen como capilares. La superficie libre que se forma en un tubo capilar se conoce como menisco. La capilaridad se extiende a otros fenómenos, por ejemplo, las toallas de papel superabsorbentes, se basan en los efectos de la capilaridad para poder “succionar” el agua de alguna superficie y almacenarla en su interior gracias a la tensión superficial. En este experimento se analiza una combinación de ambos efectos y su curioso efecto en un conjunto de palillos.

EQUIPO

Palillos Gotero, Lápiz o Hisopo Agua

DATOS Y OBSERVACIONES Como paso inicial se verificó el estado de los palillos a utilizar, se buscaron palillos que tuviesen aproximadamente la misma longitud, y que estuviesen fabricados a partir de madera. Se quebraron los palillos aproximadamente a la mitad de su longitud, dejando cierta parte de los palillos unida mediante fibras de madera, de manera que no se encontrasen completamente separados. Luego se utilizó un plato de porcelana como superficie de trabajo y se colocaron los palillos quebrados juntando las mitades de palillos distintos en 5 pares, como se muestra en la figura a continuación:

A continuación se tomó el hisopo y se introdujo una de sus puntas en agua para obtener la gota. Nótese que la punta del hispo es un capilar en sí, y que el agua viaja hacia arriba a través de las fibras de algodón.

Se dejó caer una gota de agua justo en el centro de la forma, donde los 5 pares unen sus puntas. Al instante se notó que las partes de los palillos que todavía se encuentran unidas buscaban alinearse y recuperar su forma original, es decir, los palillos avanzaban hacia una posición de equilibrio que les permitiera alinearse

Alrededor de un minuto después, el movimiento se detuvo y la figura tomo su forma final como se puede observar en la figura. La parte derecha de la estrella no alcanzo la forma deseada, y se observa que fue debido a que el palillo que tiene el ángulo más agudo abierto hacia el exterior tenía muy pocas fibras en el lugar donde se quebró, y el efecto de restitución no pudo llevarse a cabo

RESULTADOS

La explicación que se da al fenómeno observado es que este efecto se da a raíz de dos efectos, como son la tensión superficial y la capilaridad, que contribuyen a los efectos restauradores dentro de la madera y que generan la forma de estrella

Al soltar la gota sobre las puntas quebradas de los palillos lo que se desencadena es una reacción entre los intersticios de las fibras de la madera. La madera al no poseer una densidad constante posee gran cantidad de estos huecos entre sus fibras, donde el agua fácilmente penetra y forma una membrana.

Esta membrana ejerce una fuerza debido a la tensión superficial del líquido en los bordes de los huecos, empujando las fibras una con otras. Estas fibras buscan compensar la inestabilidad de este instante regresando al punto inicial de equilibrio, esto quiere decir, regresando a la posición en la que las fibras se encontraban alineadas, y tenían longitudes aproximadamente paralelas. Básicamente, la madera se dilata, y permite que la energía de restitución viaje a través de ella para tratar de devolver la forma original de los palillos. De ser lo suficientemente grande, no se observaría una estrella, si no un pentágono, pero al llegar al límite de la fuerza y las mutuas restricciones entre los palillos, lo que nos queda es la estrella.

CAUSAS DE ERROR

Los palillos, al ser fabricados de madera, no poseen una densidad constante. Por lo que ciertos palillos pueden reaccionar mejor a los efectos de dilatación Es muy difícil realizar el corte justo en el centro de la longitud del palillo, lo que deriva en fuerzas restauradoras desiguales, al no saber qué cantidad de fibras se encuentran unidas aún. La gota de agua no cae sobre las puntas de los palillos al mismo tiempo, lo que se observa debido a que el movimiento no se da al mismo tiempo en todos los palillos La separación entre los pares debería ser de 72 grados (360/5 = 72) para garantizar que las fuerzas y las traslaciones sean las mismas en todos los puntos, pero es muy difícil conseguir esta posición

CONCLUSIONES La tensión superficial debido al agua genera una fuerza restauradora en los palillos que hace que busquen recuperar su forma original Debido a efectos de capilaridad las fibras sirven de canal para transmitir las fuerzas restauradoras hacia las demás fibras La estrella se forma por las restricciones que se ponen los pedazos de palillo entre sí, y si la fuerza fuese lo suficientemente grande, se formaría un pentágono en lugar de una estrella Aunque se lleve a cabo todos los pasos del experimento, puede que falle debido a la aleatoriedad que presenta la densidad de la madera, y la elección del punto de corte en el palillo El movimiento completo tarda alrededor de un minuto en realizarse y no es uniforme.

INVESTIGACION ADICIONAL Se trato otro ejemplo de tipos den capilaridad. Capilaridad de Aguas Freáticas Conocemos el proceso de capilaridad como el ascenso que tiene un liquido al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño. Si tomamos la masa de suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales están comunicados, tendríamos una gran red de tubos capilares, los cuales permiten el efecto de capilaridad del agua freática. Al subir el agua por un tubo capilar, esta produce unos esfuerzos de tensión en la parte superior de el agua que esta dentro del tubo capilar. Esto se puede explicar teniendo como base la hidrostática: (figura 1) Si tenemos que tomamos una presión relativa, teniendo como origen la presión atmosférica, vemos que esta presión, en el punto de la superficie del agua (no dentro del capilar) debe ser cero, y a medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua esta en contacto con el aire, la curva de presiones sigue de igual forma, dando unos esfuerzos de tensión en las partes donde se encuentra por encima de este nivel de referencia, coincidiendo esto con las partes donde tenemos el agua capilar. En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freaticos altos.