Estoy enseñando una introducción conceptual a la física para estudiantes estadounidenses de 13 a 15 años este verano.
Una de las ideas principales que quiero tocar es la relación entre la conservación de la energía, el equilibrio y las fuerzas disipativas. (por ejemplo, cuando una caja que se desliza sobre el suelo se detiene, su energía cinética se destina principalmente a calentar el suelo. Esperamos esto porque hay muchos grados de libertad en el suelo, mientras que el movimiento total de la caja es como máximo de seis grados de libertad.)
Estoy buscando experimentos y demostraciones de este efecto. Podemos ver ejemplos de cómo convertir el trabajo mecánico en calor (frotar las manos, martillar un clavo, encender un fuego con fricción), pero esto no acaba de entender la idea de qué es la energía térmica. Es posible que podamos observar el movimiento browniano, pero dado que las moléculas son demasiado pequeñas para verlas, esto tiene un atractivo intuitivo limitado para este rango de edad.
Idealmente, me gustaría encontrar sistemas en los que se puedan ver los grados de libertad "microscópicos" junto con los grados de libertad "macroscópicos". Pueden ser demostraciones de física reales o escenarios artificiales en forma de juegos que los estudiantes realizan en un campo (tal vez siguiendo ciertas reglas sobre el diseño del campo como tomadores de decisiones individuales, pero creando inevitablemente una cierta distribución de estudiantes en diferentes "zonas" en el campo) o simulaciones en una computadora.
Todas las sugerencias son bienvenidas, y si lo implemento en el curso el próximo mes, informaré cómo me fue.
(Mods, ¿podrían marcar esta wiki de la comunidad?)
El ejemplo obvio sería la difusión. Por ejemplo, podría mostrar una simulación de un gas, que consta de círculos rígidos en 2D, algunos de los cuales son de un color y otros de otro. Comience con todo de un color a la izquierda y todo el otro color a la derecha, y observe cómo se mezclan gradualmente. Puede explicar que el sistema podría pasar del estado mixto al no mixto, pero es muy poco probable.
Dado que una simulación de bola rígida es probablemente un poco ambiciosa de implementar en un mes, en su lugar podría usar un gas de celosía. Es decir, tiene una cuadrícula cuyos cuadrados pueden ser de dos colores, y en cada paso de tiempo intercambia aleatoriamente dos cuadrados adyacentes. Puede hacer que los estudiantes implementen esto con bastante facilidad, si tiene dos colores de contador para que se muevan, aunque el sistema tendría que ser bastante pequeño en este caso, de lo contrario, llevaría demasiado tiempo ver el efecto de difusión.
La desventaja de la difusión como ejemplo es que la relación con la conservación de la energía no es tan clara. Está ahí, el punto es que tendrías que trabajar para separar dos gases mezclados, pero puede que no sea tan fácil de explicar. Cuando pasas de bolas rígidas a un gas reticular, el concepto de energía más o menos desaparece del modelo. Pero, por otro lado, deja muy clara la conexión entre la irreversibilidad y la entropía como desorden. (Quizás un poco demasiado claro: en mi opinión , la idea de que entropía = desorden no es del todo correcta. Pero aún así es un buen ejemplo para presentar el concepto de entropía).
Editar: aquí hay una idea más loca y costosa que puede funcionar o no, pero si lo hace, será una forma muy divertida de visualizar grados de libertad microscópicos.
Primero, compre, construya o alquile una mesa de air-hockey. A continuación, necesitará (supongo) alrededor de 20-30 discos de madera, metal o plástico. Deben ser bastante pequeños pero lo suficientemente grandes para flotar de manera efectiva sobre la superficie de la mesa. (Esto significa que deben ser más grandes que el espacio entre los agujeros de la mesa, y si son circulares, ayudará mucho). Además, no deben ser demasiado livianos, porque necesitarán algo de inercia. Colóquelos con cuidado sobre la mesa para que estén distribuidos uniformemente y no se muevan. Luego coloque un objeto mucho más grande (como una pala de hockey de aire) sobre la mesa y déle un buen golpe para ponerlo en movimiento. Lo que debería suceder es que se detenga (más o menos) transfiriendo su energía cinética a los discos más pequeños. Dependiendo de qué tan bien pueda hacer que los objetos floten sobre la superficie de la mesa,
Puede demostrar la fricción numérica aplicando un método de Runge-Kutta (o incluso el método de Euler si RK es demasiado avanzado) a un sistema conservador (como el Sol - Júpiter - Saturno) y notar el efecto disipativo de las perturbaciones estocásticas (también conocido como errores de discretización) : En última instancia, los planetas caerán hacia el sol, aunque esto requiere muchas revoluciones. Sin embargo, la disminución de la energía total del sistema se puede observar mucho antes.
Para la parte de la simulación, jugué hace algún tiempo con el motor de física 2D phun , donde puedes simular moléculas como círculos rígidos. Debería poder simular la caja en un escenario de piso que discutió anteriormente con bastante rapidez.
Si no tiene tiempo para hacer uno propio, también puede encontrar algunas buenas demostraciones en Youtube, como
Editar: si desea algo más físico, puede mirar / intentar reproducir esta atmósfera de pelota de golf o este gas granular , que incluye transiciones de fase agradables.
david z