Rizar metales con calor

Un irascible proyecto científico de Science Buddies

Conceptos claveFísicaTemperaturaExpansión térmicaMetales

Introducción ¿Te gusta envolver regalos para la gente? Quizás incluso hayas rizado una cinta con unas tijeras (o hayas visto a otra persona hacerlo). ¿Alguna vez te has preguntado por qué la cinta se curva cuando pasas una hoja de tijera por un lado? La respuesta es que cuando aplicas presión sobre la cinta con la hoja de las tijeras, la capa exterior de la cinta se estira y 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 curva para compensar las diferentes longitudes de cada una de sus capas. En esta actividad también harás que los materiales se enrollen. Para estos materiales, sin embargo, no necesitarás tijeras: ¡utilizarás calor en su lugar!

Fondo Probablemente sepas o hayas visto que los materiales pueden cambiar de forma o volumen cuando se calientan o enfrían. Esto es cierto para los sólidos, líquidos y 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. En cambio, cuando un material está frío las moléculas se mueven menos, lo que hace que ocupen menos espacio. Así, 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 se 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 intercaladas. Cuando se calienta un bimetal, uno de los metales se expandirá más que el otro. Esto da como resultado que el bimetal se curva (o se curva) en una dirección, al igual que la cinta del papel 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 hay una bobina bimetálica unida a un puntero. Cuando cambia la temperatura, el puntero se mueve dependiendo de la cantidad de deformación de la bobina bimetálica.

En esta actividad verás por ti mismo cómo diferentes propiedades de expansión térmica pueden hacer que un objeto se doble. ¿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 totalmente de aluminio y la tira totalmente de papel no deberían haber cambiado cuando las sostuvo sobre la llama. Esto se debe a que las dos capas de la tira están hechas del mismo material. Si la tira se calienta, cosa que deberías haber notado al tocarla, ambas capas se expanden en la misma medida. Sin embargo, si la tira consta de dos materiales diferentes, como la que hiciste con papel y aluminio, sucederá algo diferente.

Al sostener la tira de papel/aluminio sobre la llama, probablemente observó que inmediatamente comenzó a doblarse o curvarse 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 encima de 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 curva 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. Puedes reciclar cualquier papel o aluminio no utilizado.

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Esta actividad fue presentada en colaboración con Science Buddies.

Meghan Bartels

Andrea Thompson

Timothy Kundro, Samir Nurmohamed, Hemant Kakkar y Salvatore Affinito | opinión

Sara Scoles

Laura Leffer

Kate Evans