Categoría: Física Martín

El Universo Mecánico (episodios en español)

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Publicado en el blog de Martín Monteiro .
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El Universo Mecánico es una premiada serie educativa compuesta por 52 episodios de media hora, que trata sobre la historia, filosofía y principios fundamentales de la física. Fue transmitida por la televisión pública de los Estados Unidos (PBS) en 1985.

Esta serie fue creada en el prestigioso Instituto Tecnológico de California (Caltech), en base a los cursos de Física 1a y Física 1b, del profesor David Goodstein. A pesar de estar basada en un curso de nivel universitario, se trata de una serie de gran valor divulgativo para el público en general, y ha sido utilizada en la enseñanza de la física por profesores y estudiantes de diferentes niveles en todo el mundo durante las últimas décadas.

La primera parte de “El Universo Mecánico”, consta de 26 episodios que cubren diferentes aspectos de la mecánica clásica, desde los fundamentos de la cinemática y el cálculo diferencial hasta la gravitación y la dinámica del rígido, pasando por conceptos centrales como la conservación de la energía y la cantidad de movimiento. Sin embargo tres episodios de esta primera parte (10, 11 y 12) escapan al marco de la mecánica clásica, donde se introducen algunas ideas que anticipan la segunda parte de la serie, como la carga eléctrica y las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Los 26 episodios de la segunda mitad de la serie, denominada “El Universo Mecánico… y Más Allá,” se dedica a cubrir varios tópicos introductorios sobre electromagnetismo, óptica, relatividad, termodinámica y cuántica.

Cada episodio empieza y termina con el profesor Goodstein dando su clase de física a los estudiantes del primer año de Caltech sobre algún tema en particular, el cual es desarrollado con narraciones, animaciones, recreaciones históricas, así como diversas explicaciones basadas en innovadores gráficos por computadora.

El creador de las animaciones computarizadas, el ingeniero del JPL-NASA, James F. Blinn, ha comentado que la serie fue diseñada para ser rigurosa y atractiva. Es tal vez por ese motivo que incorporaron una original forma de visualizar manipulaciones matemáticas a modo de “ballet algebraico”, que es uno de los aspectos característicos de la serie.

Una advertencia que es general, pues vale para cualquier tipo de contenido al que uno se enfrenta, es no perder el sentido crítico. Tampoco frente a esta serie. Más allá de su excelencia y autorizada procedencia, se encontrará que algunos puntos, muy pocos, están desactualizados, como es natural para contenidos generados hace varias décadas. Un ejemplo es la destrucción del puente Tacoma Narrows, que en la serie es mencionado como un ejemplo clásico de resonancia, siendo que en investigaciones posteriores se ha mostrado que se trató de un mecanismo un poco más complicado. Esta serie, además de ser un documental ameno y un valioso recurso para la enseñanza, es también una nueva y buena ocasión para invitarnos (y los docentes invitar a sus estudiantes) a no “consumir” ciencia (y otros contenidos) de forma pasiva. Así procedan de fuentes muy confiables, no se debe obviar la práctica activa del pensamiento crítico. Una actitud que siendo inherente a la ciencia debería ser constante en nuestra vida cotidiana, como parte de nuestra responsabilidad ciudadana y que es imprescindible ejercitar en el ámbito educativo, muy especialmente en la enseñanza de la ciencia.

El Dr. David Goodstein, especialista en física de la materia condensada, fue reconocido en 1999 por la AAPT (asociación estadounidense de profesores de física), con la medalla Oersted, que distingue las contribuciones notables a la enseñanza de la física. La medalla Oersted es el máximo galardón de la AAPT, que ha sido otorgada a figuras tan relevantes como Richard Feynman, John Wheeler, Robert Resnick, Carl Sagan, Freeman Dyson, Lawrence Krauss, Francis Sears, entre muchos otros.

Algunos créditos de la serie:

Creador y conductor: Dr. David L. Goodstein (voz en español: Carlos Revilla)
Productor: Peter F. Buffa
Consultor matemático: Dr. Tom M. Apostol
Animaciones por computadora: Dr. James F. Blinn
Gráficos: Michael Shaw
Narrador: Aaron Fletcher (narradores en español: Elías Rodríguez y Paloma Escola)
Música: Herb Jimmerson, Sharon Smith
Demostraciones de física: Michael Lum

SERIE COMPLETA EN ESPAÑOL: Todos los episodios están disponibles aquí abajo (o en este enlace). La imagen de los videos procede de los DVD originales a los que les cambié la pista de audio por el doblaje español.


Lista de reproducción con los 52 episodios en español:

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SERIE EN INGLÉS: Todos los episodios originales se encuentran disponibles en el canal del Caltech (en este enlace)



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Webinar sobre smartphones para hace ciencia en tiempos de pandemia

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“Los smartphones: Una herramienta para investigar en tiempos de pandemia”
Martín Monteiro y Arturo Martí.

Webinar para la Red Interamericana de Educación Docente, de la Organización de Estados Americanos, dentro del ciclo “Respondiendo al COVID-19. Enseñando STEM en Cuarentena.”

VIDEO + DIAPOS

Fecha: 10 de julio 2020

RESUMEN

A pesar que los usuarios no siempre somos conscientes de ello, los dispositivos móviles; teléfonos inteligentes, tabletas, notebooks; disponen de un conjunto de sensores (según los modelos pueden ser acelerómetro, magnetómetro, sensor de luz ambiente, GPS, entre otros). Los fabricantes incluyen estos sensores con diversos propósitos como desactivar la pantalla táctil, regular su brillo, ubicar geográficamente el dispositivo o girar la orientación de la pantalla (apaisada o retrato). Asimismo, estos dispositivos han mejorado notablemente las prestaciones de sus cámaras de vídeo, permitiendo realizar fácilmente filmaciones a alta velocidad y alta resolución. Recientemente, en el ámbito educativo, se han propuesto diversos experimentos que transforman los dispositivos móviles en poderosas herramientas científicas con capacidad para, por ejemplo, generar y/o analizar sonido, luz, movimiento o ser usados como microscopios o espectroscopios. Dada su portabilidad es posible trabajar en el propio laboratorio o en otros ámbitos como como un gimnasio, un parque o en el propio domicilio, trascendiendo el ámbito tradicional del laboratorio. En general, las mediciones obtenidas pueden ser analizadas en el propio dispositivo o subidas a la nube para ser estudiadas posteriormente. En este webinar discutiremos el uso de los sensores incorporados en los dispositivos móviles como herramientas, presentando algunas experiencias relacionadas con óptica (microscopio, espectroscopio), mecánica (análisis del movimiento), acústica (generación y análisis del sonido). Estas experiencias están especialmente indicadas, en estos tiempos de pandemia, para que los estudiantes puedan realizar en forma autónoma desde su domicilio.

VIDEO

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DIAPOS

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Sitio web de la RIED OEA:
https://www.oas.org/es/ried/COVID19.html#

Video: https://youtu.be/zyFPfSBp2ik

Diapos: https://drive.google.com/file/d/18bScDu_eD0Xu3yHTkZJfN9b1YGUNIlWu/view?usp=sharing

Más física con smartphones:
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El Telescopio de Ernesto Sábato

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Ernesto Sábato fue un reconocido escritor y activista social argentino, nacido el 24 de junio de 1911. Por apenas dos meses no llegó a cumplir el siglo de vida.
Antes de su extensa y premiada carrera literaria, Ernesto Sábato obtuvo su doctorado en Física en la Universidad Nacional de La Plata, en el año 1937. Ese mismo año escribió un pequeño libro donde explica los detalles técnicos y teóricos de la construcción de un telescopio reflector de aficionado. El trabajo le fue encargado por la Revista Astronómica, una publicación de la Asociación Argentina “Amigos de la Astronomía”.
El libro está presentado nada menos que por el destacado astrofísico Enrique Gaviola.
Más abajo comparto el libro completo en PDF, como interesante curiosidad histórica, gracias al archivo del Museo de Física de la Universidad Nacional de la Plata.

Como construí un telescopio de 8 pulgadas de abertura
Ernesto R. Sábato
Enrique Gaviola (prólogo)
Revista Astronómica, Asociación Argentina “Amigos de la Astronomía”, 1937
39 páginas
Digitalización: Museo de Física de la Universidad Nacional de la Plata.

Prólogo del Autor

La dirección de la Revista Astronómica ha querido reunir, en un pequeño folleto, las dos partes del artículo que escribiera para la misma sobre la construcción de un telescopio reflector. Nada esencial tengo que agregar a lo ya hecho. Solamente deseo hacer destacar que la fabricación de un telescopio a espejos, puede ser realizada aún por personas que desconocen en absoluto las matemáticas, la física y la astronomía. En ese caso, puede suprimirse totalmente el trabajo de parabolizado, contentándose con dejar al espejo grande en la forma esférica; se ahorrarán con ello todas las fórmulas que aparecen en la Segunda Parte, amén de la construcción de un aparato de Foucault. Asimismo, en. lo que atañe al espejuelo plano o diagonal, bastará que lo recorten de un pedazo cualquiera de parabrisas de automóvil, sin someterlo a ninguna ciase de control. Por último, el montaje que muestra la figura 32, se construye con unas cuantas maderas y algunos tornillos. De esta manera, cualquier persona puede llegar a poseer un telescopio que, aún no siendo ópticamente perfecto, le permitirá observar la Luna, el Sol y las nebulosas más notables del cielo, en forma verdaderamente esplendida, sirviéndole ademas como un excelente largavista para objetos terrestres.

Ernesto Sábato

Si no puedes ver el libro en esta página, puedes acceder al PDF o descargarlo desde este enlace.

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Resonancia acústica en tubo extensible

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Mientras escuchamos la música procedente de un instrumento de viento, como puede ser una flauta o un clarinete, estamos siendo testigos de un fenómeno conocido como resonancia acústica. El instrumentista inyecta aire en el borde de un orificio, o a través de una boquilla, o de una caña, según el tipo de instrumento, y las vibraciones resultantes generan ondas de diversas frecuencias en el aire del interior del instrumento. Según la geometría del tubo, algunas frecuencias específicas adquieren energías predominantes, que son las que le constituyen el sonido musical característico. Esas son las frecuencias de resonancia. La frecuencia más baja, (la fundamental), corresponde a la nota musical, mientras que las frecuencias más altas, denominadas “armónicos”, son las responsables del timbre o sonido característico del instrumento.

Consideremos un caso muy sencillo, un tubo cilíndrico de largo L, abierto por ambos extremos. En este caso lo que ocurre es que los extremos del tubo se van a comportar como nodos de presión, es decir, puntos donde la presión permanece constante. Dada esta “condición de borde”, las únicas ondas que pueden resonar en el tubo son aquellas en las que dos de sus nodos coinciden con los extremos del tubo. Como la distancia entre nodos es igual a media longitud de onda, \(\lambda\), entonces para las ondas resonantes se debe cumplir que el largo del tubo coincida con un número entero de semi-longitudes de onda:
\( L = N \frac{\lambda}{2}\)
donde N es un número natural denominado número de armónico. La fundamental corresponde a N=1.
Por otra parte, el producto de la frecuencia, \(f\), y la longitud de onda es igual a la velocidad del sonido, \(c\),
\( f · \lambda = c \)
De ambas ecuaciones resulta que las frecuencias resonantes en un tubo abierto por ambos extremos son aquellas que cumplen con la siguiente relación:
\( f = \frac{c}{2·L} N \)

Si representamos en un gráfico la frecuencia de resonancia en función del número de armónico, obtenemos una recta con pendiente \(c/(2L)\).
Por otra parte, si en un gráfico representamos la frecuencia fundamental (N=1), en función del inverso del largo del tubo, entonces obtenemos una recta con pendiente \(c/2\).
Experimento.
Un sencillo experimento sobre resonancia se puede realizar utilizando un tubo extensible (o telescópico) de una aspiradora, en el cual fácilmente se pueden obtener diferentes frecuencias de resonancia para diferentes longitudes. Una forma de producir sonido es soplar a ras de un extremo del tubo, como en una flauta de pan o zampoña, aunque para tubos anchos esto puede ser un poco difícil por el caudal de aire que requiere. Otra forma de conseguir sonido resonante es golpear un extremo del tubo con la palma de la mano abierta. Esta maniobra produce una perturbación muy breve en la columna de aire dentro del tubo, haciendo que por un momento aparezcan las frecuencias de resonancia. La frecuencia se puede medir de forma muy sencilla y económica con el laboratorio de ciencia que tenemos en nuestros teléfonos inteligentes. Basta instalar en el smartphone alguna de las muchas aplicaciones gratuitas que analizan el sonido, como Physics Toolbox, Phyphox, Spectroid o Advanced Spectrum. Estas aplicaciones (y otras) se valen de la gran capacidad de cálculo de estas computadoras de bolsillo para realizar una Transformada Rápida de Fourier en tiempo real y así determinar las frecuencias presentes en el sonido que llega al micrófono del teléfono. En general, cuando se quiere realizar una medida concreta, conviene utilizar la pausa para congelar los valores mostrados en la pantalla.
Smartphone con app Advanced Spectrum y tubo extensible de aspiradora, en intervalos de 2 cm.

Captura de pantalla de la app Advanced Spectrum, mostrando el espectro de una de las medidas realizadas. El eje horizontal es frecuencia (Hertz) y el eje vertical es la energía (decibel). El pico principal es la frecuencia fundamental medida para el tubo de 79,8 cm de largo.

Medidas y resultados.

Longitud del tubo (metros) versus frecuencia fundamental de resonancia (Hertz).
A partir de los datos experimentales se puede graficar la frecuencia en función del inverso de la longitud del tubo y buscar la recta de mejor ajuste. La pendiente de la recta es igual a la mitad de la velocidad del sonido, la cual resultó ser en este caso,
\(c = \left( 343 \pm 3 \right) m/s \)
Este valor de la velocidad del sonido concuerda muy bien con la velocidad del sonido esperada para la temperatura a la que se realizó el experimento (22ºC). Teóricamente la velocidad del sonido en un gas es, \(c = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}}\), donde \(\gamma\) para el aire es \(1.4\), \(R\) es la constante universal de los gases (\(8.31 J/K·mol\)) y \(M\) es la masa molar, que para el aire es, \(M=0.029 kg/mol\). Con estos valores la velocidad del sonido esperada a 22ºC es \(c = 344.0 m/s\).
Más física con smartphones:
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El Ascenso de la Física con Smartphones

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La cuarentena global ha provocado que en las últimas semanas las aplicaciones para realizar experimentos de física (como Physics Toolbox y Phyphox) registraran un incrementado en sus descargas a medida que cada vez más docentes ofrecen cursos de laboratorio de física a distancia, aprovechando las capacidades que brindan los sensores de los smartphones para que los estudiantes realicen experimentos de física en su casa.
#SmarterPhysics #FísicaEnCasa
A continuación comparto la traducción de una nota de Katherine Wright, publicada en Physics (una revista online de la American Physical Society), con menciones a algunos investigadores que hacen física con smartphones: Juan Carlos Castro Palacio, Chrystian Vieyra, Rebecca Vieyra, Sebastian Staacks, Arturo Martí, Tommaso Rosi, Sameer Arabasi y Ann-Marie Pendrill.

Arts & Culture: Smartphone Physics on the Rise

El cierre de escuelas y universidades en todo el mundo ha dejado a los educadores luchando por ofrecer a distancia los cursos que normalmente eran presenciales. Las conferencias virtuales reemplazaron rápidamente a las clases frente a las pizarras. Pero crear clases remotas de laboratorio resultó más complicado ya que los osciloscopios, medidores de luz y barómetros de la escuela permanecen a puertas cerradas. Algunos profesores decidieron eliminar el aspecto de la toma de medidas de los laboratorios, pidiendo a los estudiantes que analicen conjuntos de datos ya existentes. Sin embargo, muchos educadores han recurrido a teléfonos inteligentes y tablets, dispositivos que se encuentran en la mayoría de los hogares, cuyos sensores pueden medir desde una fuerza magnética hasta la presión atmosférica. Como consecuencia, los desarrolladores de aplicaciones que utilizan los sensores informan un aumento significativo en el número de descargas de su software en las últimas semanas.
“No se puede llevar a casa todo un laboratorio de física, pero la mayoría de las personas tiene un teléfono inteligente”, dice Juan Carlos Castro Palacio, un físico nuclear de España, que estudia el uso de teléfonos inteligentes como herramientas educativas para la física. Con un teléfono puede realizar experimentos sobre la mayoría de los temas de un laboratorio de física general, dice.
Una aplicación popular de física es Physics Toolbox, un programa que permite a los usuarios realizar medidas con los sensores de un teléfono. Según sus creadores, el dúo de esposos Chrystian y Rebecca Vieyra, las descargas de la aplicación aumentaron un 25% en el mes de marzo. Normalmente, el número de nuevos usuarios es constante durante todo el año escolar, “por lo que esto es más que un pico”, dice Rebecca. Agregó que una compañía cerca de París contactó a la pareja el mes pasado para instalar la aplicación en tablets que los niños de una escuela local utilizan en sus casas. Otra aplicación, Phyphox, experimentó un aumento de descargas del 30% en la segunda mitad de marzo. “He recibido varios correos electrónicos de profesores que enfatizan cuán útil es Phyphox en la situación actual”, dice Sebastian Staacks, creador de Phyphox, de la Universidad de Aachen en Alemania.
Entonces, ¿qué experimentos realizan los educadores con sus alumnos mientras todos están recluidos en casa? En Uruguay, Arturo Martí, físico de la Universidad de la República, hace que sus alumnos midan campos magnéticos con el magnetómetro de su teléfono inteligente. Este sensor es generalmente utilizado por ciertas aplicaciones como Google Maps para determinar en qué dirección está el norte, pero este sensor puede medir otros campos magnéticos diferentes al de la Tierra. Los estudiantes de Martí usan el sensor para medir el campo magnético de un imán a diferentes distancias del teléfono. Luego representan esos datos en un gráfico que pueden usar para encontrar el momento magnético del imán.
Además de un magnetómetro, la mayoría de los teléfonos inteligentes también tienen un barómetro que mide la presión del aire, un inclinómetro que detecta el ángulo del teléfono, un medidor de luz que determina la intensidad de la luz ambiente y un micrófono que puede analizar las frecuencias de los sonidos. Algunos teléfonos incluso tienen termómetros e higrómetros que miden la temperatura y la humedad del aire, respectivamente. “Realmente puedes hacer muchos experimentos diferentes”, dice Tommaso Rosi de la Universidad de Trento en Italia.
Rosi hace que sus alumnos, en su mayoría matemáticos que estudian para ser profesores de física, conviertan sus teléfonos en espectroscopios. Armados con un tubo de cartón, una rejilla de difracción y la cámara del teléfono inteligente, los estudiantes estudian la fluorescencia y la mezcla de colores. Para esto los estudiantes usan sus espectroscopios caseros para tomar una foto de la luz que pasa a través de un pedazo de papel de color. La imagen se ve como un espectro con diferentes bandas de color que corresponden a los distintos tonos de tinta. Los estudiantes que no tienen acceso a una red de difracción pueden hacer una con un CD o DVD antiguo. “Son experimentos realmente de bajo costo”, dice Rosi.
Su bajo costo y facilidad de implementación es lo que ha atraído a muchos físicos a idear experimentos con teléfonos inteligentes. Sameer Arabasi, físico óptico de la Universidad Alemana de Jordania en Jordania, ha integrado previamente en sus cursos actividades con teléfonos inteligentes. Por ejemplo, hizo que los estudiantes usaran el magnetómetro de un teléfono inteligente y una aplicación de brújula para medir el ángulo de inclinación magnética del campo magnético de la Tierra, que es el ángulo formado por las líneas de campo con la horizontal. Arabasi estaba motivado por el deseo de simplificar los experimentos y reducir la necesidad de manuales de instrucciones detallados que generalmente acompañan a los aparatos de laboratorio. Él dice que sus estudiantes pueden perder interés cuando pasan la mitad del tiempo de clase leyendo los pasos para las tareas de laboratorio tradicionales. “Tenemos que hacer que la física sea más atractiva y la física con teléfonos inteligentes ofrece una manera de hacerlo”.
Llevar los laboratorios de los sótanos universitarios hacia a la vida cotidiana no tiene por qué detenerse cuando se levante la cuarentena. “[La física] es algo que puedes estudiar en cualquier lugar, en cualquier momento”, dice Ann-Marie Mårtensson-Pendrill, de la Universidad de Lund en Suecia, que trabaja en enseñanza de la física. Uno de sus lugares favoritos para un experimento de física no tradicional es una montaña rusa. En el pasado llevó a estudiantes universitarios de primer año a un parque de diversiones para estudiar las leyes del movimiento mientras giraban en un carrusel o se balanceaban en un juego tipo péndulo. Los estudiantes usan el barómetro, el acelerómetro y el giroscopio de su teléfono para medir la elevación, la fuerza g y la velocidad angular, lo que les permite mapear las fuerzas y la energía en diferentes puntos de una montaña rusa, por ejemplo. Estas tareas tendrán que esperar hasta que se levanten las restricciones, pero ella dice que son excelentes actividades para permitir que los estudiantes sientan la física en acción, al tiempo que se divierten.

–Katherine Wright

Katherine Wright es editora en jefe de Physics (una publicación de la Sociedad Estadounidense de Física – APS).

El artículo original es:
Katherine Wright
“Smartphone Physics on the Rise”
Physics 13, 68 (free online magazine from the American Physical Society)
https://physics.aps.org/articles/v13/68

Traducido y publicado en este blog con autorización de Katherine Wright.

Más física con smartphones:
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