Rizar metales con calor

Un proyecto de ciencia de mal genio de Science Buddies

Conceptos claveFísicaTemperaturaExpansión térmicaMetales

Introducción ¿Te gusta envolver regalos para la gente? Tal vez incluso haya rizado una cinta con unas tijeras (o haya visto a alguien más hacerlo). ¿Alguna vez te has preguntado por qué la cinta se riza cuando pasas una hoja de tijera por un lado? La respuesta es que cuando aplica presión sobre la cinta con la hoja de las tijeras, la capa exterior de la cinta se estira y se expande. Esto hace que la capa exterior de la cinta sea más larga que la capa interior que se presiona contra la cuchilla. Como resultado, la cinta se enrolla para compensar las diferentes longitudes de cada una de sus capas. En esta actividad también harás rizar materiales. Sin embargo, para estos materiales no necesitarás tijeras: ¡usarás calor en su lugar!

Fondo Probablemente sepa o haya visto que los materiales pueden cambiar su forma o volumen cuando se calientan o enfrían. Esto es cierto para los sólidos, los líquidos y los gases, que están formados por átomos y moléculas. Una vez expuestas al calor, estas moléculas comienzan a vibrar y moverse más rápido. Esto hace que las moléculas se dispersen y ocupen más espacio. Como resultado, un material se expande ligeramente cuando se calienta. Por otro lado, cuando un material está frío, las moléculas se mueven menos, lo que hace que ocupen menos espacio. Por lo tanto, los materiales se encogen cuando se enfrían. Aunque todos los materiales se expanden cuando se calientan, no todos se expanden en el mismo grado. Cuánto se expande un material cuando se calienta se describe por su coeficiente de expansión térmica. Por ejemplo, el aluminio se expande de 21 a 24 micrómetros por metro si aumenta su temperatura en 1 grado Celsius.

¿Qué sucede cuando un objeto está formado por más de un material? ¡Ambos se expandirán de manera diferente cuando se calienten! De hecho, existen materiales especiales llamados bimetales que aprovechan sus diferentes propiedades de expansión térmica. Un bimetal es un objeto que consta de dos capas separadas de diferentes metales que se intercalan entre sí. Cuando se calienta un bimetal, uno de los metales se expandirá más que el otro. Esto da como resultado que el bimetal se curve (o se doble) en una dirección, al igual que la cinta para el envoltorio de regalo. Debido a este efecto, los bimetales se utilizan a menudo para indicar cambios de temperatura, como en los termómetros de aguja (como los que se utilizan en hornos o refrigeradores). Dentro de estos termómetros, una bobina bimetálica está unida a un puntero. Cuando la temperatura cambia, el puntero se mueve dependiendo de la cantidad de deformación de la bobina bimetálica.

En esta actividad, verá por sí mismo cómo las diferentes propiedades de expansión térmica pueden hacer que un objeto se curve. ¿Listo para subir el calor?

Materiales

Preparación

Procedimiento

Observaciones y Resultados ¿Viste una de tus tiras enrollarse sobre la llama de la vela? ¡Deberías! La tira de aluminio y la tira de papel no deberían haber cambiado cuando las sostuviste sobre la llama. Esto se debe a que las dos capas de la tira están hechas del mismo material. Si la tira se calienta, lo que deberías haber notado al tocarla, ambas capas se expanden en la misma cantidad. Sin embargo, si la tira consta de dos materiales diferentes, como el que hiciste de papel y aluminio, sucederá algo diferente.

Al sostener la tira de papel/aluminio sobre la llama, probablemente observó que inmediatamente comenzó a doblarse o enrollarse en una dirección. Se curva hacia arriba cuando la capa de aluminio mira hacia la vela y hacia abajo cuando la capa de aluminio mira hacia el techo. Esto se debe a que el aluminio y la capa de papel se calientan cuando están sobre la llama. El aluminio se expande más que el papel debido a su mayor coeficiente de expansión térmica. Debido a que el papel y el aluminio están pegados, el aluminio se enrolla alejándose de la tira de papel para compensar las diferentes longitudes de cada una de sus capas, ¡como la cinta de papel de regalo rizada! Verá resultados similares con otras tiras que constan de dos materiales diferentes que tienen diferentes coeficientes de expansión térmica.

Limpiar Asegúrate de apagar la vela. Puede reciclar cualquier papel o aluminio sin usar.

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Esta actividad presentada en asociación con Science Buddies

Archon Fung, Lawrence Lessig y The Conversation US

clara moskowitz

flora lichtman

lauren j. joven

Luke Taylor y la revista Nature

Chelsea Harvey y E&E Noticias