La imagen del sonido y el magnetismo

El video fue tomado durante la sesión de fotos para la revista "Otona no Kagaku" y se trata de un caleidoscopio de emisión sonora. Nos demuestra la performance del Sr. Kenichi Kanazawa que ha perfeccionado el método de hacer visibles los sonidos, fenómeno descubierto por Ernst Chladni - un físico del siglo 18. Después de colocar arena de varios colores en un disco de acero, frota la superficie con un balón de goma conectado a la punta de un bastón de metal para generar la vibración. Una obra de arte que hace "ver" los sonidos sobre una mesa de acero, una obra de arte con su estilo único. ¿Que me dicen de ver el magnetismo? El secreto al alcance de cualquiera de nosotros!

El músico Kenichi Kanazawa crea arte con la arena a través de vibraciones en su mesa especial. La arena de color toma la forma de las frecuencias de vibración a medida que fluctúa.

La explicación

Este peculiar efecto es debido a la resonancia generada por la vibracíón. Cuando se aplica una vibración a cualquier objeto, ésta se transmite por toda su estructura, haciéndola vibrar a la misma frecuencia. Si la frecuencia de la vibración está en el rango de audición de nuestro oído, estamos hablando de un sonido.

Cualquier objeto presenta unas frecuencias determinadas, propias de su geometría y composición, a las que se produce una resonancia. ¿Y qué es una resonancia? Pues una oscilación amplificada. Es decir, que a dicha frecuencia de resonancia, la respuesta a la vibración es mucho mayor en amplitud que a cualquier otra, llegando el caso, si la vibración aplicada tiene la intensidad suficiente, en que se produce el fallo catastrófico de la estructura, se rompe, como la copa de la Ainhoa Arteta. Y esto puede ocurrir con varias frecuencias diferentes para un mismo objeto, es decir, puede tener distintas frecuencias de resonancia. Por la misma razón, no se permite el paso por puentes de tropas marcando el paso, ya que pueden entrar en resonancia y derrumbarse, si no me creen el puente Tacoma se derrumbo por resonancia.

Técnicamente podemos decir que la resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración se acerca al periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En el cual una fuerza relativamente pequeña aplicada en forma repetida, hace que una amplitud de un sistema oscilante se haga muy grande.
En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza.

¿Por qué el arroz forma esas figuras tan curiosas sobre la tabla? Lo que están haciendo en el experimento es un barrido de frecuencias, de grave a agudo. Cada frecuencia de resonancia tiene asociado lo que se llama un modo propio de vibración, es decir, una forma particular de moverse que depende de las propiedades del objeto: geometría, masa, estado de carga, condiciones de contorno, etc. Oscila siempre de forma armónica, es decir, como una función sinusoidal. Por ello, hay puntos donde la amplitud de la vibración es máxima y otros puntos donde ésta se anula (modos). El arroz tiende a acumularse en las zonas donde no hay vibración, llamadas líneas de nodos, y a quedarse quieto ahí, ya que son las únicas zonas de la tabla donde no hay movimiento.

Pues lo mismo ocurre con el caso del disco de acero y la arena del artista Kanazawa. Aquí no hay magia solo ciencia que cualquiera puede aplicar!

Los efectos de la resonancia pueden ser altamente destructivos como puede verse en el siguiente video

Experimento 1

Materiales:
-Programa generador de ondas (puedes bajarlo desde aquí)
-Altoparlante potenciado
-1m2 de placa metálica o cartón corrugado
-Arroz o arena fina

Procedimiento:

1-Instala el programa generador de ondas.
2-Conecta el altoparlante a la salida de audio de la pc.
3-Coloca encima del parlante la placa metálica o cartón. Se logran mejores resultados con una bocina potente adherida directamente por debajo del centro de la placa.
4-Comienza con una frecuencia baja y esparce el arroz sobre la placa.
5-Ve aumentando gradualmente la frecuencia para observar los distintos patrones de interferencia de onda.

Ten cuidado de no esparcir el arroz o la arena por toda la casa!

Otra forma es usar la propia voz con lo cual se obtienen buenos resultados como vemos a continuación

Ferromagnetismo y Ferrofluidos

Análogamente podemos obtener una "imagen del magnetismo" al utilizar imanes o bobinas con elementos magnéticos como metales o fluidos (ferrofluidos).

La explicación

La estructura de los materiales ferrosos, puede considerarse como pequeños imanes, todos desordenados. Cuando le aplicamos un campo magnético, todos esos pequeños imanes se orientan en una misma dirección, y el elemento es atraído por las líneas de campo magnético (generadas por el imán).

Un ferrofluido es un líquido que se polariza en presencia de un campo magnético. Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido portador, que comúnmente es un solvente orgánico o agua. Las nanopartículas ferromagńeticas están recubiertas de un surfactante para prevenir su aglomeración a causa de las fuerzas magnéticas y de van der Waals.

Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no retienen su magnetización en ausencia de un campo aplicado de manera externa. De hecho, los ferrofluidos muestran paramagnetismo y normalmente se identifican como "superparamagnéticos" por su gran susceptibilidad magnética. Un auténtico fluido ferromagnético es difícil de crear en la actualidad, requiriendo elevadas temperaturas y levitación electromagnética

Sin embargo, es posible elaborar un sencillo ferrofluido por medio de pequeñas partículas magnéticas mezcladas con aceite mineral, vegetal o automotor (SAE10 u otro tipo de aceite ligero). No se deben utilizar limaduras de hierro pues son demasiado grandes. Las siguientes son buenas fuentes de partículas magnéticas pequeñas:

-polvo de ferrita;
-tóner magnético de impresora láser;
-polvo de inspección magnético, usado en negocios de soldadura;
-partículas de lana de acero quemada;
-partículas raspadas de la superficie de cintas de vídeo;
-partículas extraídas de la arena por medio de un imán y una bolsa de plástico (ver vínculos externos);
-tinta magnética, empleada para imprimir cheques.

Una proporción de 1:1 entre aceite y polvo magnético da buenos resultados.

Sin embargo, estos fluidos no tienen buena estabilidad, tendiendo a la acumulación de las partículas y la rápida pérdida de propiedades. Los ferrofluidos profesionales utilizan emulsificantes para suspender partículas magnéticas aceitosas muy finas, de menos de un micrómetro de diámetro (octano o queroseno) en agua.

Experimento 2

Materiales:

-Tóner de Impresoras
-Aceite de cocina
-Imán de Neodimio (imán común)

No es necesario que compres un recipiente de tonner, pues sólo usarás apenas un poco. En cambio, te recomiendo que vayas a una casa de computación donde recargue impresoras tonner, y compres un poco de él.

Procedimiento:

Sólo tienes que mezclar un poco de tonner con aceite de cocina. Las proporciones varían en función de la vizcosidad del aceite que utilices, pero tampoco es algo determinante. La idea es que nuestro Ferrofluido Casero tenga la mayor cantidad de tonner, pero sin perder las propiedades de un líquido.

Experimento 3

Materiales:

-Hoja de papel
-Limadura de hierro
-Imán

Las limaduras de hierro las puedes juntar, por ejemplo, de un taller mecánico. Otra opción, es tomar un trozo de hierro o acero, y mecanizarlo manualmente con una lima. Sino, agarra una esponja de acero (como las que se utilizan en la cocina), y frótala fuertemente con ella misma.

Procedimiento:

Debes colocar el imán sobre una superficie y luego poner sobre él la hoja de papel. Comienza a espolvorear las limaduras de hierro, y nota como por arte de magia, comienzan a orientarse de ese modo.

Estos experimentos son de bajo costo y nos pueden entretener por un buen tiempo en aquellos días de lluvia y frío, sobre todo a los niños y así llenarlos de curiosidad. Claro que tras la incertidumbre que deja el "mágico" efecto y tras la pregunta del millón ¿por que pasa eso?, deberemos darles una magistral clase de física!

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