A l’escola on faig classes, nivell Batxillerat, dediquem una hora a la setmana a aprendre física (i reforçar les matemàtiques) a partir del disseny i realització d’experiments. Aquestes hores van en paral·lel o una mica avançades a la teoria que veuen les altres 3h de física, i això ajuda molt a entendre-la millor. En aquesta entrada explico breument què treballem a partir d’un muntatge simple com el que veieu a la foto real.
Materials i muntatge:
Es tracta d’un plafó per penjar les eines com el que podeu trobar a Leroy Merlin per uns 5€. n. Sobre el plafó amb cargols o els mateixos suports d’eines fem una pista per on baixarà la nostra bala. La pista o carril la podem fer amb aquest perfil de PVC per 2€ o algun de similar que sigui prou flexible. (Atenció, si es dobleguen massa no recuperen la forma). Aquesta flexibilitat i el gran nombre de forats en disposició regular ens permet adoptar diferents configuracions de carrils. Convé també disposar d’una mica de farina per mesurar amb facilitat on cau la bala que surt del carril. Pendent provar els carrils amb escuma per aïllar canonades.
Calendari
L’experiment treballa el tir parabòlic amb les equacions de moviment i els eixos X i Y i la conservació (o no) d’energia mecànica. Ho fem en diferents sessions:
Dia 1. Amb els ordinadors treballem el tir parabòlic i la conservació d’energia mecànica amb els simuladors PHET, juguen amb diferents combinacions d’angle de sortida, velocitat en el primer cas i de fregament i configuracions. Han afegit un nou experiment virtual del skateboard que permet fer més hipòtesis que l’original que ara es diu Basics. Podem introduir una mica la teoria d’un i altre experiment i que comprovin en algun cas concret que funciona. Molt interessant que representin els vectors veient com la Vx no canvia mentre que la Vy sí que ho fa, i en el cas de l’skateboard què passa amb l’energia que no passa de potencial a cinètica, que es perd com a tèrmica.
Dia 2. Ens situen a, laboratori i els presento els materials que tenim (el plafó, el perfil de PVC, la bala (canica) i la farina) i els deixo pensar com poden aplegar en un únic experiment els dos que hem simulat el primer dia. Una de les coses que més els costa és veure que amb tres punts el perfil ja adquireix la forma, un fa de palanca. També aquí és molt interessant que entenguin els conceptes de mòduls i angles de sortida. L’angle de sortida… amb un transportador o bé amb l’inclinòmetre de @phyphox si poden fer servir els mòbils com a eina de laboratori. La farina d’entrada no saben per què serveix, potser perquè llisqui millor la bala, diuen…. Han d’aconseguir tres configuracions diferents i mesurar bé les distàncies abans de deixar anar la bala. Aquest segon dia ja poden començar a fer proves de les configuracions i deixar anar la bala, però difícilment arriben a prendre mesures. Atenció a l’ús de la farina, aquí sovint se’ls encén la llumeta.
Dia 3. Fem l’experiment principal amb per exemple 5 passades per a cada configuració, identificant fonts d’error, debatent sobre què hauria de passar quan l’angle és més gran o més petit, l’alçada entre punt inicial i punt de sortida canvia… deixar anar la bala i veure si la intuïció funciona. Tot seguit han de plantejar les equacions de moviment i començar a resoldre. Com a dada tenen l’angle de sortida de la bala i la distància X entre la sortida de la bala i on cau que queda ben marcat a la farina. Resolent les equacions de moviment ja podem obtenir la Velocitat de sortida, Vs. Cal treballar el resultat, veure que té sentit físic i que és versemblant (una velocitat de 0,01 m/s o de 100 m/s no va enlloc, sovint hi ha errades de conversió d’unitats o de càlculs).
Dia 4. Aquí tornem a la conservació de l’energia mecànica amb una mica d’introducció. Com que més endavant treballarem el moviment harmònic simple aprofitem per relacionar-ho tot. Fem una configuració simètrica i veiem què passa. Efectivament, a diferència del simulador amb fregament zero, la bala no torna al punt de partida, de fet està lluny d’arribar-hi. Fem una primera aproximació a l’energia que perdem pel camí a cada oscil·lació; veiem també que no és uniforme, i que per petites oscil·lacions és diferent. Calculem amb conservació de l’energia quina hauria de ser la velocitat teòrica de sortida, i la comparem amb la que hem obtingut, res a veure més enllà de l’ordre de magnitud. Aquí han de pensar força per estimar la pèrdua d’energia, però arribem a consensuar un valor. Tot això es pot amanir amb treball i energia, unitats, què li passa al sistema si el posem al terra? Hi ha més velocitat de sortida? I si posem una mica d’oli al carril? O si en comptes del carril fem servir una mànega? I una última cosa… la bala roda, però si fos un cub no ho faria, només lliscaria. D’on surt aquesta energia per fer-la rodar? L’hem de tenir en compte? És gran o petita?
Dia 5. Toca tancar l’experiment amb feina a casa, preparar un dossier de pràctica amb les fotos que han anat fent, els càlculs (amb un full de càlcul), recuperant el simulador i veient coincideix amb les nostres mesures… Deixem un o dos dies de laboratori perquè puguin fer tot això, verificar, compartir, noves fotos i mesures que s’han descuidat o que no han estat prou curoses… Els deixem també un article científic perquè tinguin una idea de com ha de ser, una mica de teoria explicativa, el procediment, els resultats i les conclusions.
Dia 6. Presentació del “paper”. Grups de 4 persones van força bé, i l’han d’exposar a la resta de grups que diuen la seva, crítica constructiva.
En definitiva és un exercici simple i econòmic en què treballem sistemes de dues equacions, la composició de moviments, el disseny d’experiments, la conservació d’energia mecànica, els errors, la presentació en públic… En paral·lel i amb 3er d’ESO (per primer cop aquest any) estem preparant a l’assignatura de tecno unes catapultes o llançadores que desarem en un calaix i farem aparèixer d’aquí a dos anys per repetir aquest experiment amb els seus propis prototips.
Nota 1. Es pot combinar si tenim temps i ganes amb la corba braquistocrona, o amb diferents configuracions donant més pes a la part d’energia.
Blog de Pere Losantos 