MATERIALES SORPRENDENTES - Eureka! Zientzia Museoa

obra social
GUÍAS DIDÁCTICAS DE
KUTXAESPACIO DE LA CIENCIA
educación
MATERIALES
SORPRENDENTES
GUÍA DIDÁCTICA PARA EL ALUMNADO ESO
Este documento está editado en
euskera, castellano y francés.
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idiomas, solicítelo en el teléfono de
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943 012 917
MATERIALES SORPRENDENTES
MANUAL PARA EL ALUMNADO ESO
Nuestra vocación más querida es la de ser un recurso para la
Comunidad Educativa. Profundizando en ella hemos emprendido
un proyecto de investigación con el título: “Diseño y elaboración
de materiales didácticos para alumnos y profesores de enseñanza
secundaria que ilustran recorridos educativos por kutxaEspacio
Museo de la Ciencia”.
Se trata de una colaboración entre kutxaEspacio Museo de la
Ciencia, la Universidad del País Vasco y el Departamento de
Educación, Universidades e Investigación del Gobierno Vasco.
En sus manos tiene el primer resultado de este proyecto que muy
pronto tendrá su continuación en nuevos materiales pedagógicos.
Esperamos que nuestro esfuerzo les resulte útil.
Ficha Técnica
Edita:
kutxaEspacio Museo de la Ciencia
Mikeletegi Pasealekua 45
20009 Donostia-San Sebastián
Autores:
Rafael Azcona Rivado, Mikel Etxaniz Añorga, Jenaro Guisasola Aranzabal
y Emiliano Mugika Mandiola.
Fotografias:
kutxaEspacio Museo de la Ciencia
Notas de ISBN:
Materiales Sorprendentes. Guía didáctica
para el alumnado ESO (castellano).
ISBN 978-84-611-8403-3
Depósito legal: SS-1116-2007
PVP: 6
Si desea más información sobre
cualquier tema concreto o,
simplemente, quiere
conocer mejor kutxaEspacio de
la Ciencia visite nuestra web:
www.miramon.org
Para resolver una duda o para
realizar su reserva, puede llamar
al servicio de reservas
de lunes a viernes de 9,30 h a 13,30 h.
Si quiere llevar a cabo cualquier
consulta a través del correo
electrónico, la dirección es la
siguiente:
Materiales finalistas de los premios “Física
en Acción” y seleccionados para la feria
Europea “Physics on stage”.
[email protected]
Y si prefiere ponerse en contacto a
través del fax, puede hacerlo en el:
943 012 918
MATERIALES SORPRENDENTES Introducción.
Nuevos materiales:
propiedades singulares
En nuestro entorno, cada vez más
tecnificado, hay muchos materiales
cuyas propiedades eran impensables
hace unas décadas: plásticos que
conducen la electricidad, cerámicas
que sopor tan temper atur as
extremas sin deformarse, pantallas
de ordenador y de televisión que
son tan planas y delgadas como un
libro...
es limitada: los elementos químicos.
Toda la materia del Universo, todas
las sustancias químicas, los metales,
los aislantes, las cerámicas, los
plásticos, todos los materiales
orgánicos e inorgánicos existentes
(y los que existirán en el futuro)
están formados por esos elementos,
cuyo número apenas supera el
centenar. Pese a su reducido número,
pueden combinarse entre sí de
muchas maneras.
¿Cómo se diseña un material que
tiene propiedades singulares?
Hubo una época en la que el
descubrimiento de estos materiales
era, a menudo, fruto de la casualidad
o de un trabajo intuitivo.
A modo de ejemplo, veamos
cómo descubrió Charles Goodyear
el proceso de vulcanización del
caucho, a finales del siglo XIX. La
mujer de Charles estaba harta de
los malos olores que desprendía la
cocina de la casa debido a los
experimentos de su marido, y le hizo
prometer que dejaría de realizarlos.
Las losetas que portan los transbordadores espaciales
en su parte delantera son de cerámica. Al penetrar
la nave espacial de nuevo en la atmósfera, dichas
losetas tienen que absorber una enorme cantidad
de energía provocada por el rozamiento con el aire,
y, al mismo tiempo, proteger la estructura inferior.
Al regreso de cada viaje, hay que comprobar el
estado de todas las losetas y sustituir las que han
sufrido daños. En la fotografía tienes una de esas
losetas.
La ciencia de los materiales es
relativamente nueva, y muy compleja.
Los equipos que investigan sobre
materiales están formados por
personas que provienen de distintas
disciplinas científicas: físicos, químicos,
ingenieros, informáticos y, a veces,
también biólogos y médicos. La
materia prima con la que trabajan
Pero un día que, faltando a su palabra,
Charles se encontraba mezclando
caucho y azufre, llegó su mujer de
improviso. Charles arrojó al fuego
lo que tenía en las manos, para que
su mujer no lo viera.Y fue así como
03
descubrió lo que buscaba desde
hacía tiempo: la manera de estabilizar
el caucho, es decir, la vulcanización.
De ahí surgieron las ruedas de los
vehículos, los chubasqueros, el
recubrimiento de los cables...
Hoy día, en cambio, los nuevos
materiales no se obtienen gracias a
un golpe de suerte o a una intuición
(aunque también ayudan, como en
cualquier actividad humana). El
desarrollo de los nuevos materiales
se realiza analizando y
comprendiendo cómo se combinan
los átomos, las moléculas y las
estructuras cristalinas (y también la
materia viva). La mayor parte de los
nuevos materiales se descubren al
aplicar los resultados de la
investigación general en Física y
Química. Es necesario conocer qué
mecanismo es el que origina en los
materiales “normales” las
propiedades mecánicas, térmicas,
eléctricas, magnéticas u ópticas que
les caracterizan, para así desarrollar
nuevos mater iales con sus
propiedades mejoradas y
combinadas.
Por citar un ejemplo, a los químicos
Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid
y Hideki Shirakawa –en la fotografía
siguiente– les fue concedido el
premio Nobel de Química el año
2000 por sus investigaciones sobre
MATERIALES SORPRENDENTES Introducción.
los polímeros plásticos que conducen
la electricidad.
Pues bien, dichos plásticos se
utilizan actualmente en las cubiertas
antiestáticas de las películas de fotos,
en las pantallas de los ordenadores
para protegerlas de sus radiaciones,
en las ventanas inteligentes para que
atenúen la luz del sol (en esta sala
verás una de ellas) o en las pequeñas
pantallas de los teléfonos móviles.
Equipos como éstos se utilizan para medir las
propiedades mecánicas de los polímeros.
Con la información de que
disponen, los investigadores de
nuevos materiales desarrollan
simulaciones por ordenador para
calcular la estructura que produciría
la unión de determinados átomos y
para saber qué características
tendrían. Solo se desarrollan los
prototipos reales de los modelos
con mayores posibilidades de contar
con las propiedades que se buscan,
y así, se ahorra tiempo y dinero.
Una de las propiedades más
interesantes es la piezoelectricidad.
Pierre Curie descubrió dicha
propiedad hace más de cien años.
Dicho de forma resumida, Curie
observó que al comprimir o dilatar
algunos materiales, se crean
corrientes eléctricas, o que, por el
contrario, al aplicar a dichos
materiales una diferencia de potencial,
se ensanchan o se contraen. Esos
materiales se están probando hoy
día para desarrollar músculos
ar tificiales en brazos o piernas
or topédicas con capacidades
funcionales.
En los edificios y puentes más
modernos se colocan sensores
dentro de las vigas y las estructuras
para medir en todo momento la
fuerza que éstas soportan y así, poder
prevenir los fallos y evitar los daños.
En el campo de la ingeniería, se
están diseñando aleaciones especiales
con un componente específico que
rellena y suelda las microfisuras que
pudieran aparecer debido al esfuerzo
realizado.
En el de la electrónica, se están
desarrollando transistores orgánicos
que aúnan la flexibilidad del plástico
con la semiconductividad del silicio,
y evitan así su fragilidad. Se podrían
fabricar pantallas de televisión
enrollables como un póster, o papel
electrónico para bajarse el periódico
al conectarse a Internet. Así
no se consumiría tanto
papel tradicional, más caro
desde el punto de vista
ecológico y económico.
Los investigadores de nuevos
materiales desarrollan simulaciones
por ordenador para calcular la
estructura que produciría la unión
de determinados átomos.
04
Además de las utilidades ya citadas,
contamos con la nanotecnología, que
es un conjunto de técnicas que se
utiliza para manipular la materia a la
escala de átomos y moléculas. La
nanotecnología permite alcanzar el
nivel molecular, transpor tar los
medicamentos hasta los tumores y
liberarlos únicamente allí (y no en
tejidos sanos), o fabricar nanorobots
que reparen las células, como los de
la simulación de las imágenes.
Estos nanorobots están diseñados para que circulen
por el flujo sanguíneo y “reparen” las células dañadas.
También en este campo, como en
los anteriores, veremos avances
espectaculares. Dispondremos de
objetos hechos con nuevos
materiales (cuyas asombrosas
características no podemos por el
momento ni imaginar), desarrollados
tras muchas horas de investigación
m e d i a n t e s i mu l a c i o n e s p o r
ordenador... y con la ayuda de un
poco de suerte y de intuición.
MATERIALES SORPRENDENTES Recorrido general.
En los módulos de esta sala no están expuestos los materiales
del futuro, pero sí otros realmente asombrosos. Hemos
organizado los módulos en función de las características
de los materiales y los hemos agrupado en dos itinerarios.
Esta será la guía de la visita:
1 Materiales que tienen
propiedades
singulares.
2 Aplicaciones mecánicas
basadas en la
estructura.
En los módulos de este itinerario encontrarás materiales que
tienen características ópticas y electromagnéticas muy
interesantes:
• Módulo: Sombras congeladas.
• Módulo: Los minerales de Wolframio
y la luz ultravioleta.
• Módulo: Colores líquidos.
• Módulo: Wolframio.
• Módulo: El filamento de wolframio.
• Módulo: Luz por un tubo.
• Módulo: La persiana del futuro.
• Módulo: Nuevos imanes.
• Módulo: Ferrofluidos.
En los módulos de este itinerario observarás materiales que
son especialmente interesantes debido a sus características
mecánicas.
•
•
•
•
Módulo: Memoria de alambre.
Módulo: Materiales autolubricados.
Módulo: Motor de gasolina.
Módulo: El hidrógeno como
depósito de energía.
• Módulo: La puerta del coche.
• Módulo: Golpea el composite.
• Módulo: Ruedas insonoras.
05
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Introducción.
1
Materiales
que tienen
propiedades
singulares.
Recuerda
1. ¿Qué es la conductividad térmica? ¿Cuál es la diferencia
entre buenos y malos conductores?
MATERIALES SORPRENDENTES
Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Sombras congeladas.
• Módulo: Sombras congeladas.
En el Museo podrás ver...
En este módulo encontrarás una habitación especial,
o mejor dicho, una habitación con una pared especial,
recubierta de una capa fosforescente. Al entrar en
ella, encontrarás la habitación a oscuras. Uno de tus
compañeros, que se habrá quedado fuera, deberá
pulsar un botón que encenderá un foco dentro de
la habitación. Así se formará la sombra de tu imagen
en las paredes.
06
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Sombras congeladas.
Antes
de la visita
¿Qué ocurrirá?
Para predecir lo que ocurrirá cuando se vuelva a apagar el foco, necesitas
información sobre la luminiscencia de los materiales.
Materiales fluorescentes
y materiales fosforescentes.
La luminiscencia es la propiedad de emitir luz, pero a temperaturas normales, sin combustión o calentamiento especial.
Casi todos los materiales reciben energía cuando los iluminamos. La mayor parte de ellos reciben dicha energía en forma de calor
y se calientan.
Los materiales luminiscentes, en cambio, casi no aumentan su temperatura; la energía que absorben al ser iluminados la liberan
de nuevo en forma de radiación, emiten luz. Si esa emisión se produce únicamente cuando están iluminados, son materiales
fluorescentes; en cambio, si después de haber sido iluminados, la luz se libera poco a poco durante un período de tiempo prolongado
(algunos minutos o incluso algunas horas, según los materiales), el material es fosforescente.
Teniendo en cuenta que la pared de la habitación que está en el módulo
del Museo está recubierta de material fosforescente, ¿qué ocurrirá si mientras
estás en la habitación se enciende y se apaga el foco?
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha
ocurrido?
Entra en la sala. Tu compañero
debe quedarse fuera.
Mientras tú permaneces muy
quieto, tu compañero debe pulsar
el botón. Espera sin moverte hasta
que la luz se apague, y observa qué
ha ocurrido.
En tu hipótesis, ¿dijiste que
olvidarías tu sombra dentro de la
habitación?
07
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Sombras congeladas.
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
La luminiscencia se conoce
desde hace mucho tiempo.
Las primeras referencias se encuentran en unas crónicas chinas de 1500 a.C., en las
que se mencionan gusanos, luciérnagas, etc. que liberan luz.
En 1602, el alquimista boloñés Vincenzo Cascariolo buscaba la piedra filosofal para
transformar metales en oro. Cascariolo mezcló carbón y el mineral barita (sulfato de
bario), y colocó la mezcla sobre un disco de hierro para calentarla. El disco de hierro
no se convirtió en oro, pero la mezcla brillaba en la oscuridad, emitía luz tras haberla
mantenido al sol durante el día. Vincenzo había fabricado el primer material fosforescente
de la historia. El alquimista no comprendió lo que pasaba realmente, y pensó que
tenía poderes mágicos. Llamó al disco “piedra del sol”.
En la antigua Grecia, se denominaba litosforo o piedra del fósforo (fósforo: el que
proporciona luz) a las sustancias que emiten luz sin calentarse. Por ello, llamaron
materiales fosforescentes a todos aquellos que eran similares a la “piedra del sol”.
No hay que confundir el fósforo –elemento químico– con los materiales fosforescentes,
ya que muchos de éstos no tienen fósforo en su composición.
En 1652, Nicolas Zucchi descubrió una propiedad interesante de los materiales
fosforescentes: el color de la luz que liberan en la oscuridad es el mismo que el de
la luz que se ha utilizado para iluminarlos previamente.
Del mismo modo, tampoco han de confundirse fosforescencia e incandescencia. La
incandescencia es la emisión de luz de los materiales a altas temperaturas (la lava
de los volcanes, por ejemplo).
Estos dos minerales, la autunita y la willemita, son
fosforescentes.
La lava que está al rojo vivo no es material
fosforescente; sí lo es, en cambio, el aro del niño.
En la antigua Grecia, se denominaba litosforo o piedra
del fósforo (fósforo: el que proporciona luz) a las
sustancias que emiten luz sin calentarse.
¿Por qué se quedó, como indica el nombre del módulo, tu
sombra congelada en la pared de la habitación?
08
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Sombras congeladas.
Aplicaciones de la fosforescencia
Tal vez la más conocida sea la de las señales de los relojes. En los relojes que no
tienen luz, tanto las agujas como las señales están recubiertas con materiales
fosforescentes que emiten luz durante unas horas para poder ver la hora en la
oscuridad.
Estas mismas características las encontramos en la pintura de las señalizaciones que
se utilizan en los edificios públicos para las situaciones de peligro (en caso de incendio,
por ejemplo, o con el alumbrado apagado, para indicar la salida).
También algunos juguetes se recubren con este tipo de materiales para que se iluminen
en la oscuridad.
Citemos, por último, la bioluminiscencia. Algunos animales tienen la capacidad de
liberar luz. Es de sobra conocido el caso de la luciérnaga, pero quizá no tanto el de
muchas medusas, gambas, calamares y peces que viven en el mar a bastante
profundidad (entre 200 y 1.000 metros, en la zona mesopelágica), que también son
luminiscentes. No son fosforescentes, ya que no absorben prácticamente luz a dicha
profundidad. Son ellos mismos los que producen la luz gracias a ciertas reacciones
químicas. La función principal de esta luz es, al parecer, ahuyentar a los depredadores.
Bioluminiscencia.
Algunos animales tienen la capacidad de liberar luz.
No son fosforescentes, ya que no absorben
prácticamente luz a dicha profundidad
09
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Los minerales de wolframio.
• Módulo: Los minerales de wolframio
y la luz ultravioleta.
En el Museo podrás ver...
En este módulo, iluminarás con la luz ultravioleta el
mineral de wolframio denominado scheelita
(wolframato de calcio, CaWO4). Utilizando el botón
de la izquierda, se enciende la luz ultravioleta, y con
el de la derecha, la luz normal. Cuando se iluminen
los minerales con su correspondiente tipo de luz,
comprobarás que tiene un aspecto diferente. En
efecto, la scheelita es fluorescente.
Antes
de la visita
¿Qué ocurrirá?
Materiales fluorescentes
¿Recuerdas los materiales luminiscentes? Los estudiaste en el módulo
. Los materiales luminiscentes emiten
luz cuando los iluminamos a temperaturas normales, sin combustión ni calentamiento especiales.
los materiales fosforescentes (los de la pintura que recubría la pared de la habitación). Ahora tienes ante ti un material fluorescente,
la scheelita, un mineral de wolframio. Los materiales fluorescentes sólo liberan luz mientras son iluminados, y dejan de liberarla
cuando se acaba la iluminación.
¿Qué crees que ocurrirá al iluminar el mineral con luz ultravioleta?
10
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Los minerales de wolframio.
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha
ocurrido?
Pulsa el botón de la derecha para
ver el mineral de scheelita iluminado
con luz ordinaria.
Pulsa ahora el botón de la
izquierda para iluminarlo con luz
ultravioleta. ¿Qué ha ocurrido?
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
¿Por qué liberó luz la scheelita cuando se iluminó con luz ultravioleta?
Aplicaciones de la fluorescencia
La aplicación que mejor conoces es la de la lámpara fluorescente. Sus tubos se
recubren en su interior con substancias fluorescentes, y estas sustancias, cuando
absorben la luz de los rayos ultravioletas, liberan luz visible.
Otra aplicación no tan conocida es la de las pantallas de las televisiones convencionales
(no las actuales de plasma, con pantalla plana), que tienen infinidad de tubo pequeños
de ese tipo, recubiertos de sustancia fluorescente en el interior.
Fluorescencia y televisión.
11
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Colores líquidos.
• Módulo: Colores líquidos.
En el Museo podrás ver...
En este módulo, y dentro de un aparador de vidrio,
encontrarás dos focos de luz, una camisa con un
collar alrededor del cuello y una disolución coloreada
dentro de un bote de vidrio (en esta disolución se
encuentra uno de los colorantes utilizados para
realizar los caracteres coloreados escritos en la
camisa). Un foco emite luz ordinaria y el otro, luz
ultravioleta.
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha
ocurrido?
Pulsa el botón derecho y observa
el color de la camisa y del collar.
Una vez apagada la luz anterior,
pulsa el botón izquierdo y observa
el color de la camisa y del collar. ¿Se
ha producido algún cambio?
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
La camisa tenía un colorante fluorescente mezclado con el tejido para que
al iluminarla con luz ultravioleta se volviera fluorescente.
Esos colorantes se utilizan en algunos detergentes: con la luz ultravioleta del
sol, la ropa libera luz azul, y las prendas se ven más blancas.
Las lámparas que emiten luz ultravioleta cuentan con muchas aplicaciones.
12
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Colores líquidos.
Aplicaciones de la luz “negra”.
Se llama luz “negra” a la luz de las lámparas cuya radiación emitida es en su mayor
parte ultravioleta. Esa luz, como sabes, es invisible para nuestros ojos, pero si actúa
sobre materiales fluorescentes, éstos emiten una luz visible, lo cual tiene aplicaciones
interesantes.
La luz negra se utiliza para comprobar si los billetes o los documentos son auténticos.
Si su tinta contiene una sustancia fluorescente, al iluminarlos con luz negra, los billetes
emiten luz, y así se sabe si son auténticos, ya que es muy difícil falsificar ese tipo de
tinta.
Por otra parte, si se frotan las estructuras metálicas con líquido fluorescente y se
iluminan con luz negra, se pueden encontrar grietas o hendiduras, o fallos en la
estructura.
Los médicos forenses también utilizan la luz negra para encontrar restos de sangre,
semen, saliva u orina, que también emiten fluorescencia.
Billetes.
Es invisible para nuestros ojos, pero si actúa sobre
materiales fluorescentes, éstos emiten una luz visible,
lo cual tiene aplicaciones interesantes.
13
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Wolframio.
• Módulo: Wolframio.
En el Museo podrás ver...
En este módulo encontrarás, escrita en un panel,
información sobre los hermanos Elhuyar, así como
las características principales del wolframio y sus
aplicaciones. Encontrarás también, dentro de un
aparador de cristal, muchos tipos de válvulas
electrónicas que han sido utilizadas en el mundo de
la Electrónica.
Durante
la visita
(en el Museo)
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Qué ha
ocurrido?
Lee la información del panel.
¿Por qué ha ocurrido?
He aquí una lectura para complementar la información del panel.
Los hermanos Elhuyar.
Los hermanos Juan José y Fausto Elhuyar nacieron en Logroño (en 1754 y 1755, respectivamente). Entre 1775 y 1777 estudiaron
matemáticas, física, química y ciencias naturales en París. En 1778, se trasladaron a Bergara donde tenía su sede la
, y se convirtieron en miembros de la misma. El gobierno de aquella época, deseoso de
conocer las técnicas que se utilizaban en Europa en el sector de la minería, solicitó su ayuda a la
. Con
ese objetivo, los hermanos Elhuyar regresaron a París, desde donde se trasladaron a Freiberger (Sajonia) para estudiar en la
Escuela de Minería hasta el año 1781. Posteriormente, Fausto Elhuyar regresó a Bergara para impartir clases.
14
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Wolframio.
Juan José Elhuyar continuó su formación con los reconocidos químicos de la Universidad de Uppsala (Suecia). En 1782, volvió a
. En 1783, descubrieron el wolframio.
reunirse con su hermano en la
En 1784 Juan José se trasladó al continente americano y desarrolló su planificación minera. Murió en Bolivia, en 1796. Fausto por
su parte abandonó la cátedra de Bergara en 1785 y se dedicó a viajar por Europa con el objetivo de profundizar en su formación.
Posteriormente, partió a América donde ejerció como director jefe de minas hasta 1821. Regresó a Madrid, donde asimismo trabajó
como director de minas y fue director de la Escuela de Ingeniería. Murió en Madrid, en 1823.
La materia prima que se utiliza normalmente para obtener el wolframio es
la mena del mineral denominado wolframita, compuesto sobre todo de
wolframatos de hierro y de manganeso (FeWO4 y MnWO4). A continuación,
se muestra el sistema de obtención del wolframio, explicado paso a paso:
I. Se hace reaccionar a los wolframatos con carbonato sódico, y se producen
las reacciones siguientes:
FeWO4 + Na2CO3
MnWO4 + Na2CO3
Na2WO4 + CO2 + FeO
Na2WO4 + CO2 + MnO
II. En el paso siguiente, se hace reaccionar el wolframato sódico obtenido
(Na2WO4) con ácido clorhídrico, con lo que se obtienen cloruro sódico
y ácido wolfrámico.
Na2WO4 + 2 HCl
H2WO4 + 2 NaCl
III. A continuación, se calcina el ácido wolfrámico (H2WO4) y se obtienen
trióxido de wolframio y agua.
H2WO4
WO3 + H2O
IV. Y, para terminar, se hace reaccionar el trióxido de wolframio con
hidrógeno, y se obtienen wolframio y agua.
WO3 + H2
W + H2O
Aplicaciones del wolframio.
El wolframio puro se utiliza en forma de filamento en las lámparas de incandescencia, y también para fabricar los contactos
eléctricos de los tubos de vacío, o para fabricar aceros especiales (el ferrowolframio, por ejemplo) para perforar y tornear a grandes
velocidades. Otras aleaciones (por ejemplo, el cobre-wolframio y la plata-wolframio) se utilizan para fabricar interruptores y llaves
de circuitos eléctricos, o para fabricar el carburo de wolframio, muy duro a altas temperaturas.
15
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: El filamento de Wolframio.
• Módulo: El filamento de Wolframio.
En el Museo podrás ver...
En este módulo podrás controlar la intensidad de la luz
emitida por una lámpara de incandescencia. Pulsando un
botón, aumentarás o disminuirás la incandescencia y el
brillo de la lámpara. Asimismo, podrás leer en una pantalla
pequeña la temperatura media correspondiente al filamento
de wolframio en cada momento.
Antes
de la visita
¿Qué ocurrirá?
Lámparas de incandescencia.
El metal de wolframio se utiliza como filamento en las lámparas de incandescencia.
Dentro de la ampolla de vidrio de estas lámparas se encuentran el filamento de
wolframio y un gas inerte (argón o criptón, por lo general). El gas inerte se introduce
para evitar la oxidación del wolframio. En efecto, a temperatura ambiente, el wolframio
no reacciona con el aire, pero a altas temperaturas (a partir de 400 ºC) se oxida. Para
evitar dicha oxidación, en lugar de aire, se introduce gas inerte.
La sustancia simple wolframio tiene un comportamiento metálico. Es duro, buen
conductor de la electricidad y quebradizo a temperatura ambiente. Si se calienta, es
flexible. Sus temperaturas de fusión (3.410 ºC) y de ebullición (5.930 ºC) son muy
elevadas. Su densidad también es muy alta (19,3 g/cm3).
Con la corriente eléctrica, el wolframio alcanza altas temperaturas (hasta 2000 ºC) y
produce luz.
A temperatura ambiente, el wolframio no reacciona con
el aire, pero a altas temperaturas (a partir de 400 ºC)
se oxida.
¿Por qué crees que se utilizan filamentos de wolframio en las lámparas
de incandescencia?
16
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: El filamento de Wolframio.
Durante
la visita
(en el Museo)
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Qué ha
ocurrido?
Pulsa el botón y observa el cambio
de brillo de la lámpara. Apunta la
temperatura correspondiente a cada
brillo.
¿Por qué ha ocurrido?
¿Cómo crees que se conseguiría elevar la temperatura del filamento?
¿Existe relación entre la temperatura del filamento, y el brillo y el color
de la luz emitida por la lámpara?
17
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Luz por un tubo.
• Módulo: Luz por un tubo.
En el Museo podrás ver...
En este módulo podrás ver el funcionamiento de
la fibra óptica. 6.400 hilos de este material van de
una lámina de plástico a otra, 'conectando' ambas
ópticamente. La primera lámina tiene filtros de
tres colores (verde, amarillo y rojo), tal como
puedes ver en la foto. Un foco ilumina esta lámina
(la inferior).
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha
ocurrido?
¿Qué se verá en la lámina superior?
Y si colocas la mano encima de
la lámina inferior, ¿qué se verá en la
otra?
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
Como viste en el Museo, en la lámina superior se reproducía la imagen de
la inferior.
¿Por qué conseguían los hilos de fibra óptica mantener la luz en su interior,
sin salir, ni siquiera en las curvas?
¿Por qué se veía en la lámina superior la imagen de la inferior, al colocarle
–por ejemplo– la mano encima?
18
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Luz por un tubo.
Aplicaciones de la fibra óptica.
La fibra óptica tiene muchas aplicaciones, y, previsiblemente, tendrá muchas más en
el futuro. Aquí solo mostraremos dos de las más importantes.
La primera de ellas se utiliza en medicina. El instrumento denominado endoscopio
ofrece a los cirujanos actuales la posibilidad de ver directamente el interior de sus
pacientes (el aparato digestivo, el corazón y las venas, la matriz...).
Está formado principalmente por un tubo y unos haces de fibras ópticas que se
encuentran dentro del tubo. Uno de estos haces ilumina lo que se quiere ver, y los
restantes llevan las imágenes a la pantalla. Se obtienen así imágenes como ésta.
Endoscopio.
La segunda aplicación ofrece la posibilidad de realizar llamadas telefónicas o de
captar la televisión por cable. Las ventajas de la fibra óptica frente al cable de cobre
son dos: transmite una mayor cantidad de información, y no necesita amplificar tanto
la señal.
Embrión humano.
Las ventajas de la fibra óptica frente al cable de cobre
son dos: transmite una mayor cantidad de información,
y no necesita amplificar tanto la señal.
19
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: La persiana del futuro.
• Módulo: La persiana del futuro.
En el Museo podrás ver...
En este módulo verás una ventana especial.
Aparentemente, ha sido fabricada con cuatro
cristales normales. Pero no lo son, ya que contienen
un cristal especial (cristal líquido). Al pulsar los
cuatro botones dispuestos delante de la ventana
(un botón por cristal), se crea una tensión eléctrica
entre las dos placas de los extremos.
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha ocurrido?
¿Cómo se encuentra la ventana al principio? ¿Es transparente?
Pulsa los botones de uno en uno y observa lo que pasa en el cristal.
20
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: La persiana del futuro.
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
El cristal líquido tenía un filtro delante y otro detrás. La combinación de
cristal y de cristal líquido absorbía completamente la luz (el cristal era opaco
al principio).
Al aplicar una tensión eléctrica cambiaron las propiedades ópticas del cristal;
en concreto, los componentes de la luz que el cristal dejaba pasar y absorbía.
Así pues, la combinación de filtro y de cristal permitió el paso de parte de
la luz. Al pulsar el botón, se convirtió en transparente, ya que no absorbía
la totalidad de la luz, como hacía al principio. Por tanto, el cristal-persiana
se convirtió en ventana.
Los cristales líquidos son un estado especial de agregación de la materia,
un estadio intermedio entre el estado líquido y el sólido. Se parecen a los
líquidos, porque fluyen y toman la forma del recipiente en el que se
encuentran. Pero también se parecen a los sólidos, porque muestran las
propiedades ópticas del cristal, debido a que sus corpúsculos están ordenados.
Los cristales líquidos se utilizan para
multitud de aplicaciones: los dígitos
y símbolos de punteros electrónicoópticos, relojes digitales y pantallas
de calculadoras y ordenadores se
“dibujan” sobre dichos cristales. La
pantalla se divide en varios segmentos
(en el caso de las calculadoras, en
los siete segmentos que se precisan
para formar el número 8). Al
oscurecerse dichas par tes de la
pantalla (al igual que las ventanas
que viste en el museo) se escriben
los números.
21
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Nuevos imanes.
• Módulo: Nuevos imanes.
En el Museo podrás ver...
En el Museo encontrarás cuatro imanes, hechos
con los materiales siguientes: ferrita,AlNiCo, tierras
raras y cerámica.
Hay, también, cuatro cajas con pequeñas agujas
imantadas, a modo de brújulas. Al acercar los
imanes a las cajas, las agujas se desvíarán y podrás
observar la intensidad de la influencia de los imanes.
Antes
de la visita
¿Qué ocurrirá?
¿Hacia dónde señalarán las pequeñas agujas cuando llegas al Museo, antes
de acercar los imanes?
¿Qué les sucederá al acercar los imanes?
¿Influirán de la misma forma todos los imanes?
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha ocurrido?
Comprueba tus hipótesis.
22
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Nuevos imanes.
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
Los imanes, como sabes, crean efectos
magnéticos y ejercen una fuerza sobre
los objetos de hierro (también sobre
los de otros metales, tales como el
níquel o el cobalto) atrayéndolos. Las
brújulas son pequeños imanes, ligeros
y móviles. Por eso, al acercar otro
imán a la brújula, se percibe su fuerza
magnética y se orienta en función de
ella: el polo sur de uno de los imanes
se coloca siempre mirando hacia el
polo norte del otro.
Polos magnéticos.
Tipos de imanes.
El conocimiento y el uso de los imanes se remonta a la Antigüedad. Pero fue en el
siglo XX cuando, además de los imanes naturales, se fabricaron otros imanes
permanentes, algunos de ellos muy potentes, utilizando para ello diversas aleaciones.
Entre éstos se encuentran los imanes cerámicos, los de alnico, los imanes de tierras
raras y las ferritas.
¿Qué sucederá si en una zona de la atmósfera la presión es
es baja liso
(ciclón,
depresión
o tormenta)?
y en de
otraaspecto
Los imanes cerámicosalta
son(anticiclón)
de color gris,
y frágiles,
como
la propia
cerámica. Se les puede dar cualquier forma, por lo que son muy utilizados en la
fabricación de altavoces, auriculares, en las figuras que se adhieren a los frigoríficos...
Se fabrican con pequeños corpúsculos de material ferromagnético (por lo general,
óxidos de hierro). Estos óxidos se calientan a alta presión, sin alcanzar el punto de
fusión, y forman de este modo un conglomerado.
Las ferritas son un tipo de conglomerado que se fabrican mezclando óxido de hierro
con óxido de bario y óxido de estroncio. Ni los ácidos ni los disolventes pueden alterar
a las ferritas, y crean intensos campos magnéticos. Por esta razón se utilizan en
transformadores, en bobinas... y, hasta 1975, para constituir la memoria de los primeros
ordenadores. No se pueden utilizar a temperaturas superiores a 260 ºC.
23
Imanes cerámicos.
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Nuevos imanes.
Los imanes fabricados con alnico reciben dicho nombre porque en su composición
encontramos aluminio (8%), níquel (14%) y cobalto (24%), además de hierro (51%) y
cobre (3%). Esos imanes se comportan mejor a altas temperaturas, pero no son tan
potentes como los anteriores.
Los imanes de tierras raras están formados por samario o neodimio (es decir, por
elementos químicos que se denominan tierras raras), además de por hierro, boro o
cobalto. Son los imanes más potentes, sobre todo los de neodimio, pero se oxidan y
no soportan temperaturas altas (un máximo de 80 ºC los de neodimio, y de 350 ºC
los de samario).
Imanes de neodimio.
El conocimiento y el uso de los imanes se remonta a la
Antigüedad. Pero fue en el siglo XX cuando, además de
los imanes naturales, se fabricaron otros imanes
permanentes, algunos de ellos muy potentes, utilizando
para ello diversas aleaciones.
24
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Ferrofluidos.
• Módulo: Ferrofluidos.
En el Museo podrás ver...
Aquí encontrarás cuatro tubos, y, dentro de cada
uno de ellos, un ferrofluido. También encontrarás
un imán por medio del cual el ferrofluido mostrará
sus propiedades.
Qué son los ferrofluidos.
Los ferrofluidos son suspensiones coloidales estables de corpúsculos magnéticos (de magnetita, de cobalto...) en medio graso
(aceites, hidrocarburos). Las suspensiones se forman cuando las partículas sólidas se mezclan con líquidos. Muchas veces (como
el Cola-Cao con la leche, o el barro con el agua) no son estables, y van precipitando con el paso del tiempo. Pero cuando el tamaño
de los corpúsculos es muy pequeño, la suspensión puede ser estable (como el azúcar con la leche, o la mayonesa). Este es nuestro
caso.
Para que los corpúsculos magnéticos no se unan entre sí, se añade un componente que aumenta la tensión superficial (ácido
oleico, por ejemplo). Así, las tensiones entre los corpúsculos del líquido que rodea cada partícula magnética no permiten acercarse
a otras partículas magnéticas porque no pueden romper la “película” formada a su alrededor por los corpúsculos.
Las suspensiones se forman cuando las partículas
sólidas se mezclan con líquidos.
25
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Ferrofluidos.
Durante
la visita
(en el Museo)
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Qué ha ocurrido?
Coge el imán, acércalo al ferrofluido y observa lo qué pasa.
¿Por qué ha ocurrido?
Cuando se ha acercado el imán al ferrofluido, ¿por qué lo ha atraido?
Aplicaciones de los ferrofluidos.
Estos materiales fueron creados por la NASA para sustituir la fuerza peso por la magnética en situaciones de falta de gravedad y
así controlar el flujo de combustibles en el espacio.
Los ferrofluidos tienen tres características principales, de las que proviene su utilidad.
Como viste en el módulo del Museo, un imán los atrae. Por ese motivo, tal y como hemos dicho, se emplean en motores, además
de en discos duros de ordenador o en altavoces, en los que sustituyen a los imanes sólidos cuando éstos corren peligro de
calentarse demasiado y perder sus propiedades magnéticas. Estos ferrofluidos son líquidos y se enfrían con más facilidad que
los sólidos. También se utilizan mezclados con tinta para conducirla al papel en plotters e impresoras. La tinta de los billetes, por
ejemplo, lleva mezclado un ferrofluido.
26
MATERIALES SORPRENDENTES Materiales que tienen propiedades singulares / Módulo: Ferrofluidos.
Los ferrofluidos nos muestran el influjo magnético de los imanes en tres dimensiones,
por lo que se utilizan también en actividades artísticas, en el arte magnético,
concretamente.
Los ferrofluidos pueden alterar la densidad aparente en función de la intensidad del
campo magnético, dado que los corpúsculos magnéticos en suspensión se mueven
en diversas direcciones dentro del líquido, dependiendo del campo, y, en consecuencia,
unas zonas ganan densidad y otras la pierden. Así, una esfera hecha con material
no magnético se hundirá en un ferrofluido de menor densidad que la esfera. Pero
colocando el mismo polo de dos imanes en la parte superior e inferior, los corpúsculos
magnéticos se dirigirán hacia arriba y hacia abajo, y la densidad aumentará en la
zona superior e inferior: la esfera se colocará en el centro. ¿Para qué sirve eso? Para
la separación de materiales de distinta densidad (en procesos de reciclado, por
ejemplo), o para separar los diamantes de la arena. Por lo general, se utilizan líquidos
de alta densidad, pero suelen ser muy tóxicos.
También tiene otras aplicaciones aún más sorprendentes: se utiliza en las operaciones
cerebrales y en las oculares (cuando se desprende la retina, por ejemplo) para colocar
los órganos, guiándolos desde el exterior por medio de un imán. También se utilizan
para dirigir el taladro en las perforaciones que se realizan para buscar petróleo.
Campo tridimensional.
Los ferrofluidos pueden alterar la densidad
aparente en función de la intensidad del campo
magnético, dado que los corpúsculos magnéticos
en suspensión se mueven en diversas direcciones
dentro del líquido.
27
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Introducción.
2
Aplicaciones
mecánicas
basadas en la
estructura.
Recuerda
1. ¿Qué es el rozamiento?
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Memoria de alambre.
• Módulo: Memoria de alambre.
En el Museo podrás ver...
En este módulo encontrarás tres muelles fabricados
con el material denominado nitinol. De cada muelle
cuelgan dos pesas que suman una masa superior a
un kilogramo. También encontrarás un secador de
gran potencia que, al pulsar el botón, enviará aire
caliente sobre los muelles para calentarlos. Para
enfriar los muelles hay un ventilador que enviará aire
frío al pulsar el botón.
28
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Memoria de alambre.
Antes de
la visita
Durante
la visita
(en el Museo)
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Qué ocurrirá?
¿Qué sucederá al calentar los muelles?
¿Y al volver a enfriarlos mediante el ventilador?
¿Qué ha
ocurrido?
Comprueba las hipótesis que
hiciste antes de venir. ¿Acertaste lo
que le sucedería al muelle?
¿Por qué ha ocurrido?
Probablemente, te habrás asombrado
al entrar en esta sala de materiales
sorprendentes y comprobar que no
se cumplía una hipótesis formulada
con bastante seguridad. ¿Quién iba
a pensar que un muelle encogería
al calentarse? ¿No nos enseñaron,
acaso, que los materiales se dilatan
al calentarse?
hechos de nitinol, material que es
absolutamente sorprendente.
El nitinol fue creado por William Buehler en 1961, en los laboratorio del
ejército de EEUU. Es una aleación de níquel y titanio y tiene características
muy especiales, pues sus propiedades varían con la temperatura. Cuando
se supera la temperatura crítica, el material recupera la forma que guarda
en su ‘memoria’, y es considerablemente rígido; en cambio, por debajo de
la temperatura crítica es muy flexible y se pliega con facilidad.
Los muelles del Museo han sido fabricados con nitinol. Cuando calentaste
dichos muelles con el secador (pulsando el botón) se superó la temperatura
crítica y adquirieron la forma de la ‘memoria’: se encogieron mucho. Observa
que la contracción es intensa, suficiente como para levantar las pesas. Cuando
el ventilador enfrió los muelles, su temperatura se situó por debajo de la
crítica y éstos recuperaron la elasticidad. Teniendo en cuenta que de los
muelles colgaban las pesas, se alargaron notablemente. ¿Qué le ocurre al
nitinol al superar la temperatura crítica?
29
¿
(
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Memoria de alambre.
Con esta cucharilla puedes gastar una broma
divertida. La introduces en café con leche caliente
y... ¿qué pasa aquí?
Basta con calentar el alambre de nitinol con una
cerilla para que recupere su forma original.
Sucede, simplemente, que ha pasado de una situación flexible a otra rígida,
y que, además, recupera la forma que guarda en la “memoria”.
¿Cuál es la forma que guarda en la memoria? La que se quiera. Cuando se
encuentra en estado flexible se le da la forma deseada, se calienta fuertemente
(hasta 500 ºC), y, a continuación, se enfría rápidamente. Dicha forma se
conservará en la “memoria”, y la recuperará al superar la temperatura crítica
y convertirse en flexible.
La temperatura crítica es variable; oscila entre -50 ºC y 166 ºC, dependiendo
de la composición de la aleación.
Aplicaciones del nitinol.
Estos materiales (denominados SMA, Shape Memory Alloys en inglés) de propiedades
tan especiales tienen múltiples aplicaciones. Además de la cucharilla de la primera
ilustración, que resulta bastante divertida, pueden fabricarse muelles como los que
viste en el Museo, que se encogen a una temperatura determinada activando un
mecanismo (para cerrar las válvulas de seguridad del gas en caso de incendio, por
ejemplo, o para el termostato de la cafetera).
También se utilizan para fabricar gafas. Son muy flexibles, y en caso de recibir un
golpe en la cara, se deforman y no hacen daño; no se rompen. Luego, basta con
calentarlas por encima de la temperatura crítica para que recuperen su forma.
Además de sus propiedades elásticas, el nitinol posee una excelente biocompatibilidad;
es decir, no genera rechazos. Dicha propiedad hace que sea muy utilizado en medicina
(por ejemplo, para ligar al hueso los tendones y los ligamentos). Al alambre de la
30
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Memoria de alambre.
figura (sirve para juntar los dientes) se le da la forma deseada antes de su implantación,
calentándolo fuertemente; luego, cuando se enfría y se vuelve flexible, se ensancha
para poder colocarlo con facilidad. Cuando una vez dentro de la boca supera la
temperatura crítica, adopta la forma original y endereza los dientes. Con esta técnica,
cambiándole la forma antes de implantarlo, se puede utilizar el mismo alambre
repetidas veces. Es evidente que para estas aplicaciones el nitinol debe tener su
temperatura crítica entre la temperatura ambiente y la temperatura corporal, para
que al ser introducido en el cuerpo adopte la forma adecuada que guarda en su
memoria.
Cuando recupera su forma original, puede ejercer grandes presiones, por lo que
también ha sido utilizado para desplegar los paneles solares de los satélites cuando
el sol los calienta por encima de la temperatura crítica.
La aleación Ni y Ti no es la única SMA. La aleación CuZnAl también pertenece a dicho
grupo. Esta aleación se emplea para unir tubos con más solidez que por medio de
soldaduras: a la forma original del tubito de dicha aleación se le da un diámetro menor
que el de los tubos que se han de unir; a continuación, se dilata el diámetro, se
introducen los otros dos tubos, y, al calentarlo por encima de la temperatura crítica,
tiende a recuperar la forma original. Puesto que los tubos no se lo permiten, ejerce
una gran presión permanente.
Paneles que se despliegan al percibir el calor
del Sol.
En el futuro, las aplicaciones se multiplicarán: piezas
de coche que se enderecen solas tras deformarse en
un accidente, generadores eléctricos basados en dicho
cambio de forma brusca, robots que simulen los
movimientos de los músculos humanos...
31
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Materiales autolubricados.
• Módulo: Materiales autolubricados.
En el Museo podrás ver...
En este módulo encontrarás los dos conjuntos de
engranajes de la imagen, fabricados con materiales
diferentes aunque con la misma forma.
Antes
de la visita
¿Qué ocurrirá?
Si tratas de poner en marcha los engranajes accionando y girando la
manivela, ¿habrá alguna diferencia de dificultad entre uno y otro? ¿Cuál
es la causa de la diferencia?
Este tipo de engranajes se emplea en motores, relojes, dispositivos
tecnológicos. ¿Qué se hace para disminuir el rozamiento e incrementar
la velocidad?
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha
ocurrido?
Comprueba si una manivela está
“más dura” que la otra.
¿Se observa algún rastro de aceite,
grasa o lubricante en la manivela
que gira más rápido?
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
¿Por qué giraba un conjunto de engranajes a mayor velocidad que el otro?
32
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Materiales autolubricados.
Antes de explicar por qué el
rozamiento era menor, hemos de
aclarar qué es lo que produce el
rozamiento. Cuando una superficie
se mueve sobre otra se produce
rozamiento porque , a nivel
microscópico, las superficies no son
totalmente lisas: están formadas por
pequeñas “elevaciones y valles”, tal
como puedes ver en la imagen.
Imagen de un trozo de papel, ampliado cien
veces con un microscopio.
Cuando las elevaciones de las dos
superficies se ponen en contacto, durante un instante se unen debido a la
acción electrostática, e impiden el deslizamiento. Estas pequeñas “soldaduras”
momentáneas son las que frenan las superficies.
En el módulo del Museo viste que el conjunto de engranajes blanco giraba
más rápido, que presentaba menor rozamiento que el otro. Sin embargo,
dicho conjunto no estaba lubricado, y no viste rastro alguno de grasa. ¿Por
qué giraba, entonces, más rápido?
Pues, sencillamente, porque dichos
engranajes estaban fabricados con
un material especial denominado
Delrin, una resina de acetales. Ese
material presenta un rozamiento
muy pequeño, incluso sin lubricación.
Por otra parte, el citado plástico es
muy rígido, sopor ta muy bien el
Ruedas fabricadas con Delrin.
desgaste, es notablemente ligero, no
absorbe la humedad y es muy estable. Unas propiedades muy interesantes.
Resulta especialmente interesante el no tener que utilizar lubricantes. Los
engranajes convencionales fabricados con metales necesitan lubricación
periódica para reducir el rozamiento y el desgaste, lo que supone,
evidentemente, un coste económico, pero también otra serie de problemas.
Los lubricantes que una vez utilizados son inservibles, porque se han
degradado, son muy contaminantes: un litro puede contaminar cien litros
de agua si se vierte sin depurar. Para que te hagas una idea de la magnitud
del problema, en 1999 se vendieron en España 500.000 toneladas de
lubricante.
Por otra parte, la mayoría de los lubricantes actuales se obtienen del petróleo,
una materia prima que, antes o después, se agotará. Por eso, se están
realizando ensayos con aceites vegetales, que, además, no son tan
contaminantes como los derivados del petróleo.
33
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Materiales autolubricados.
Aplicaciones de estos materiales.
Así pues, estos materiales son especialmente interesantes a la hora de sustituir los
metales en ruedas y engranajes. Tienes un ejemplo en la imagen. Los mecanismos
para mover el espejo retrovisor de los camiones han comenzado a fabricarse con
Delrin, y los resultados han sido muy buenos desde el punto de vista de la estabilidad,
humedad y resistencia a la fatiga del material.
Además, se utiliza en aislantes, en rodillos, en rasquetas y en aplicaciones que precisan
una alta humedad y una resistencia media.
Los engranajes convencionales fabricados con metales
necesitan lubricación periódica para reducir el
rozamiento y el desgaste, lo que supone,
evidentemente, un coste económico, pero también
otra serie de problemas.
34
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Motor de gasolina.
• Módulo: Motor de gasolina.
En el Museo podrás ver...
He aquí el motor de un coche al que se le ha aplicado
un corte vertical para poder ver en funcionamiento
los cilindros, los pistones, las válvulas...
Durante
la visita
(en el Museo)
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Qué ha
ocurrido?
Pulsa el botón y obser va el
funcionamiento del motor.
¿Por qué ha
ocurrido?
En el Museo viste el interior de un
motor de gasolina en marcha. Para
entender mejor los tiempos del
motor, lee este texto.
35
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Motor de gasolina.
El motor de gasolina.
Estos motores se denominan de combustión interna porque el combustible se quema en el interior del motor.
En el motor de gasolina, la mezcla de gasolina y aire se quema dentro del cilindro donde está el pistón. La energía liberada en la
combustión calienta el gas que se ha producido y el aire que estaba en el cilindro; éstos a su vez se expanden mucho y empujan
el pistón hacia abajo. Este movimiento de vaivén del pistón llega a las ruedas por medio de bielas y ejes.
La mayoría de los coches lleva un motor de cuatro tiempos. A cada tiempo le corresponde un movimiento del pistón, hacia arriba
o hacia abajo.
En el primer tiempo, en el de admisión, el pistón se mueve hacia abajo, impulsado por el eje mediante la biela. El eje ha sido
movido gracias a la dilatación de los gases producida en otro cilindro. Este movimiento hacia abajo abre la válvula de entrada y
el cilindro absorbe la mezcla de aire y gasolina.
En el tiempo de compresión, la válvula de entrada se cierra y el pistón va hacia arriba
(de nuevo impulsado por el eje mediante la biela) y la mezcla se comprime.
En el tiempo de explosión, la bujía produce una chispa (gracias a la energía eléctrica
producida por el alternador del coche), el combustible se enciende, libera una gran
energía y mucho gas, y empuja el pistón con fuerza hacia abajo. El pistón empuja
el eje mediante la biela. El eje mueve los pistones de los cilindros que están en los
otros tres tiempos, y también las ruedas, claro.
En el último tiempo, el de escape, se abre la válvula de salida, el pistón va hacia
arriba y empuja los gases fuera del cilindro. Así, el cilindro está listo para admitir
de nuevo la mezcla de la combustión y volver a iniciar el ciclo.
El motor Diesel es parecido al motor de gasolina, pero no tiene bujías. El combustible
se enciende debido a la alta temperatura que alcanza el aire en el cilindro como
consecuencia de una gran compresión.
La energía liberada en la combustión calienta el gas
que se ha producido y el aire que estaba en el cilindro.
36
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: El hidrógeno como depósito de energía.
• Módulo: El hidrógeno como
depósito de energía.
En el Museo podrás ver...
Este módulo tiene dos secciones: en una sección se
produce la electrólisis del agua, y en la otra hay una
pila de hidrógeno.
La corriente eléctrica necesaria para producir
electrólisis la proporciona un panel fotovoltaico. Por
eso, al no entrar luz natural en esta sala, hay una
bombilla encendida que la sustituye.
Por otra parte, el hidrógeno obtenido en la electrólisis
se envía a la pila de hidrógeno para obtener corriente
eléctrica. Dicha corriente, a su vez, mueve un pequeño
ventilador.
La electrólisis y la pila de hidrógeno
Estos dos procesos son, en cierto modo, inversos. La electrólisis descompone el agua mediante la corriente eléctrica, y se obtienen
los gases oxígeno e hidrógeno. En la pila de hidrógeno, en cambio, el oxígeno y el hidrogeno gaseosos reaccionan y producen
agua, así como energía eléctrica.
Se utilizan placas fotovoltaicas para producir la corriente necesaria para la electrólisis. Estudiaremos dichas placas en otra sala,
por lo que no les dedicaremos más espacio en este módulo.
37
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: El hidrógeno como depósito de energía.
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha ocurrido?
En el panel de este módulo hay tres botones. Cada uno de ellos es un
interruptor.
Pulsa el primer botón: se cerrará
el circuito de la bombilla y se
encenderá ésta. El panel fotovoltaico
se activará y producirá corriente
eléctrica.
Pulsa el segundo botón para poner
en marcha el proceso de electrólisis.
Al pulsar el tercer botón, se activará
la pila de hidrógeno. La corriente que
produce dicha pila pondrá en marcha
el ventilador.
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha
ocurrido?
La importancia de la pila
de hidrógeno en el futuro.
Las aplicaciones de la pila de hidrógeno son diversas. Desde los aparatos portátiles
(teléfonos móviles, utensilios caseros pequeños) que utilizan pilas pequeñas, hasta
los grandes aparatos generadores de energía de hospitales o empresas.
En medio, los vehículos: coches, autobuses, barcos. En los coches, por ejemplo, la pila
de hidrógeno reemplaza a las baterías tradicionales, tiene un gran rendimiento,
mejores prestaciones y dura más. Produce la electricidad que necesita el coche, y
ofrece nuevas posibilidades: por ejemplo, el poder utilizar el aire acondicionado o la
calefacción con el motor apagado.
De todas maneras, no hay que confundir la pila de hidrógeno con el motor de
hidrógeno. Últimamente se habla mucho del motor de hidrógeno como sustituto del
Pila de hidrógeno.
motor de gasolina o de gasóleo. El de hidrógeno es parecido a los de gasolina y
gasóleo (similar al que tienes en esta misma sala), pues es un motor de combustión interna, con cilindros y pistones. La diferencia
estriba en que el de hidrógeno no utiliza como combustible la gasolina o el gasoil, sino el hidrógeno. Pero no es un motor eléctrico,
porque no utiliza para mover el coche la pila de hidrógeno que has estudiado en este módulo.
Los prototipos realizados hasta ahora no han conseguido las prestaciones de los motores de gasolina, ni en potencia –últimamente
se han fabricado unos de entre 100 y 200 caballos– ni en velocidad. En lo que se refiere a la autonomía, la de un motor de
hidrógeno es, como máximo, de 300 o 350 kilómetros, a pesar de disponer de un depósito más grande. El hidrógeno tiene una
densidad de energía más baja que la gasolina o el gasóleo. De ahí su menor autonomía.
38
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: El hidrógeno como depósito de energía.
Sus ventajas, sin embargo, también son notables. La primera es que el petróleo se
acabará algún día y que, forzosamente, hay que buscarle sustitutos. Además, incluso
antes de que se acabe, debido a que es muy apreciado en la industria química (los
plásticos, principalmente, proceden del petróleo), no deberíamos continuar quemándolo.
El hidrógeno no se obtiene del petróleo, sino del agua, como has visto en el módulo.
La segunda ventaja es que el motor que funciona con hidrógeno no libera gas CO2,
el principal causante del efecto invernadero. Sólo libera agua. En cambio, los otros
sustitutos del petróleo (por ejemplo el etanol) liberan dióxido de carbono tras su
combustión en los motores.
Por lo tanto, el motor que funciona con hidrógeno es “limpio”, no poluciona, y así es
como se anuncia. Pero hay que ir con cuidado para no engañarnos.
Para empezar, el motor de hidrógeno no funciona simplemente con agua, como se
dice a menudo. Para producir hidrógeno, es necesaria la electrólisis del agua. Dicho
proceso consume mucha energía eléctrica.
¿De dónde procede dicha energía eléctrica? Si procede de una central que quema
carbón o petróleo, no hemos adelantado nada. El motor de hidrógeno no liberará
CO2, ¡pero sí la electricidad que ha generado la central para producir el hidrógeno
necesario! Por lo tanto, sólo serán limpios el hidrógeno y el motor de hidrógeno si se
ha utilizado una fuente de energía renovable para producir electricidad. Únicamente
en ese caso será un sustituto no contaminante del petróleo.
Hemos hablado del motor, pero apenas hemos citado la pila de hidrógeno. ¿Por qué
es tan importante la pila de hidrógeno?
Porque se trata de un elemento importante de las energías renovables, que sirve para
aprovecharlas mejor. Uno de los problemas de las fuentes de energías renovables es
que no se puede controlar su producción. Por ejemplo, en una central térmica que
utiliza carbón, cuando la demanda de electricidad es menor (de noche, o el fin de
semana, cuando muchas fábricas están paradas) se puede consumir menos carbón
y disminuir la potencia de la central, y reducir la producción. En los aerogeneradores
gigantes, en cambio, si sopla el viento apropiado para producir electricidad de noche
o durante el fin de semana, no tiene sentido parar el molino porque la demanda sea
pequeña, y perder así la posibilidad de generar electricidad. ¿Pero cómo “guardar”
la electricidad que no se puede consumir en ese momento? Pues en forma de
hidrógeno, haciendo la electrólisis de agua con la electricidad que “ha sobrado”.
Luego, cuando haya una gran demanda, se podrá utilizar dicho hidrógeno para
producir en las pilas de hidrógeno la corriente que se necesite.
Este coche funciona con motor de hidrógeno
(véase el depósito). También utiliza, claro está,
una pila de hidrógeno.
Dentro de poco, es posible que utilicemos
hidrógeno en nuestros coches, gracias a los
“hidrogeneras”.
Por lo tanto, el motor que funciona con hidrógeno es
“limpio”, no poluciona, y así es como se anuncia. Pero
hay que ir con cuidado para no engañarnos.
39
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: La puerta del coche.
• Módulo: La puerta del coche.
En el Museo podrás ver...
En este módulo encontrarás la puerta de un coche,
con sus diferentes capas a la vista. Uno de los
paneles ofrece información sobre los tratamientos
efectuados para proteger la puerta.
Antes
de la visita
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ocurrirá?
En tu opinión, ¿qué materiales forman la carrocería de un coche?
¿Qué ha ocurrido?
Lee la información que hay en cada panel y pulsa el botón correspondiente
para saber cuál es el emplazamiento del tratamiento que se le ha dado a
la puerta, ya que se ve en la misma puerta. Al pulsar el último botón, la
puerta girará completamente, con lo que podrá verse también su parte
trasera.
40
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: La puerta del coche.
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha
ocurrido?
¿Cuál es el objetivo fundamental
del tratamiento previo de la
carrocería?
¿Qué ocurre en el tratamiento
llamado electroforesis? ¿Para qué se
utiliza?
¿Cuál es la finalidad del tratamiento
llamado “imprimación”?
¿Para qué se utilizan ceras en el
tratamiento de la carrocería?
¿Y los esmaltes? ¿Cuál es su
finalidad?
41
MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Golpea el composite.
• Módulo: Golpea el composite.
En el Museo podrás ver...
Sobre una plataforma de este módulo encontrarás
una especie de mesa. En la parte superior, y sujetado
con cuatro tornillos, verás un material especial
denominado ‘composite’, que tiene el aspecto del
vidrio.
Durante
la visita
(en el Museo)
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Qué ha ocurrido?
¡Golpea sin miedo sobre el composite!
¿Por qué ha ocurrido?
La definición de composite es muy amplia: un material formado por dos
componentes o más en el cual las características del material son mejores
que las de sus componentes.
Suele estar formado por dos componentes principales: unas fibras largas y
rectas, y una matriz en la que se introducen aquéllas. La matriz mantiene las
fibras unidas para que no se tuerzan, las protege de los golpes, del desgaste
y de las condiciones atmosféricas adversas, y distribuye las fuerzas, pero son
las fibras las que soportan dichas fuerzas.
Con un ejemplo lo entenderás mejor: el hormigón armado. En la construcción
de casas, habrás observado que se cubren con cemento unas barras de
acero. Las barras de acero son las fibras, y el cemento, la matriz.
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MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Golpea el composite.
Composite
Matriz
Fibra
Los composites pueden soportar mayores fuerzas cuando éstas se ejercen
en la dirección de las fibras.
Las fibras se colocan en capas, unas sobre otras. Hay que estudiar bien el
modo en que se colocan las capas, pues ese modo de superponerlas es
más importante que las propias características de la matriz y de la fibra, ya
que es lo que nos dará las características últimas del material. Utilizando las
mismas fibras y matrices, y cambiando la secuencia de apilamiento, se pueden
obtener productos con características distintas.
Aplicaciones de los composites
Los composites se conocen y se utilizan desde la Antigüedad. La arcilla y la paja se
han mezclado desde siempre para hacer una especie de ladrillo para construir casas.
También el yeso y el pelo de los caballos.
Durante el siglo XX se inventaron muchos tipos de composite, que se utilizaron en
distintos campos. Hacia 1940, por ejemplo, se empezó a utilizar como matriz el poliéster,
reforzado con fibra de vidrio, para hacer los soportes de los radares o para formar
el fuselaje de los helicópteros, ligero y duro a la vez.
En la década de los sesenta del siglo pasado, los composites (de cloruros de vinilo,
de estireno...) entraron de lleno en la industria aeronáutica; también en la construcción
se empezaron a fabricar las estructuras con hormigón armado, y los tejados y las
ventanas con otros tipos de composite, por ejemplo, con cloruro de vinilo.
En los años 80, los composites se utilizaban ya en multitud de campos: para fabricar
dientes y empastes; las fibras de carbono para fabricar los mástiles de los barcos de
vela o las pértigas para los saltos; el caucho y las fibras de acero para fabricar ruedas
de coches y bicicletas, o tubos (para las fundas de los circuitos de refrigeración de los
coches); el alquitrán y las piedras para cubrir las carreteras; recipientes de plástico
recubierto de fibra de vidrio para guardar líquidos y gases...
Tal y como hemos indicado anteriormente, la clave de la resistencia de los
composites es mantener las fibras rectas, sin doblarse ni plegarse, mediante
la matriz. Lo veremos en el próximo experimento.
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MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Golpea el composite.
Experimento en clase:
La importancia de
mantenerse recto.
Material:
•Una hoja de papel.
• Algunos libros.
• El estuche de lapiceros
y bolígrafos.
Procedimiento
1. Coloca los libros en dos pilas de 10 cm de altura. Deja un espacio de 15 cm
entre ambas pilas, y coloca la hoja de papel, en posición horizontal, sobre dicho
espacio, tal como se ve en la fotografía.
2. Si se coloca el estuche sobre la hoja, ésta no soporta su peso. Por tanto, el
estuche se cae. Pliega la hoja por su lado más corto, formando tiras de 2 cm de
ancho, tanto a un lado como al otro, en forma de acordeón (observa la fotografía).
3. Coloca la hoja de papel, bien doblada, entre las dos pilas de libros, dejando
el menor espacio posible entre las cimas y poniendo el sentido de los pliegues
perpendicular a los libros, tal como se ve en la fotografía.
4. A continuación, coloca encima el estuche, paralelo a los libros. ¿Se ha caído
de nuevo, o no?
¿Soportará la hoja doblada el peso del estuche si se colocan los pliegues
paralelos a los libros? ¿Por qué?
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MATERIALES SORPRENDENTES Aplicaciones mecánicas basadas en la estructura / Módulo: Ruedas insonoras.
• Módulo: Ruedas insonoras.
En el Museo podrás ver...
En este módulo, tenemos dos ruedas de tren, metálicas.
Una tiene un aro de ese mismo material, fijado con
tornillos; la otra, no. Junto al borde de las ruedas hay dos
clavijas largas, sujetas con un muelle, para que al tirar de
ellas hacia atrás golpeen la rueda.
Durante
la visita
(en el Museo)
¿Qué ha
ocurrido?
Dale un golpe a la rueda que no
tiene aro, tirando de la clavija hacia
atrás.
Golpea de la misma manera la
rueda que tiene un aro. ¿Hay alguna
diferencia en el sonido que
producen?
Después
de la visita
(de nuevo en clase)
¿Por qué ha ocurrido?
Puedes hacer este experimento en tu propia casa. Si pasa un camión de
gran tonelaje cerca de casa, las ventanas vibran y producen ruido. Basta con
tocar el cristal con un dedo para que éste absorba la energía de las ondas
y cesen la vibración y el ruido. Lo mismo sucede cuando un guitarrista quiere
parar de repente el sonido tras tocar las cuerdas del instrumento: coloca
la mano sobre las cuerdas y la caja de la guitarra.
En el módulo del Museo también ocurrió algo parecido. El aro absorbía la
energía de la vibración, con lo cual cesaba el sonido.
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