La jaula electromagnéticaSi metemos una radio encendida en una jaula hecha con malla metálica (una "jaula de Faraday") deja de sonar.
Fundamento científico:
Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que se reflejan en las superficies conductoras (¡así es como funcionan los espejos metálicos con la luz visible!). Las de las emisoras de FM tienen longitudes del orden de unos pocos metros, y las de AM, de unos pocos cientos de metros.
Las ondas electromagnéticas son capaces de penetrar muy ligeramente en las superficies conductoras, siempre más cuanto mayor es su longitud de onda. Esa es probablemente una de las razones por las que las rejillas frontales de los microondas siempre están separadas unos centímetros del exterior de la puerta. También podemos investigar cualitativamente este fenómeno con nuestra «jaula de Faraday», que es como se llaman estos dispositivos que sirven para aislar una región de la radiación electromagnética.
Materiales utilizados:
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· radio · faraday · ondas electromagnéticas · electromagnetismo
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
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EXPLICACIÓNEl efecto SeebecK
Experimento que transforma energía térmica en energía electrica. El intercambio de temperatura que se produce entre ambos extremos (los dos metales) genera un pequeño impulso eléctrico capaz de mover el motor y, por lo tanto, el ventilador.
Fundamento científico:
El primer efecto termoeléctrico fue descubierto en 1821 por el físico estonio Thomas Johann Seebeck. Consiste en la generación de una diferencia de potencial eléctrico al someter a una diferencia de temperatura dos metales o semiconductores diferentes. Se produce cuando un flujo de calor atraviesa dos metales que están conectados entre sí mediante uniones. Se utiliza para la producción de energía termoeléctrica, y su principal aplicación práctica es la medida de temperatura mediante termopares.El alto punto de fusión de los metales que se utilizan permite medir temperatura muy altas
Materiales utilizados:
Serán necesarios:
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· Seebeck · energía térmica · energía eléctrica · termopar
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
Advertencias: Para conseguir agua a 0ºC introduce muchos cubitos de hielo en un vaso con agua. Para el agua caliente, llevar a ebullición.Toma precauciones con el agua caliente
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La ciencia de las catapultasFundamento científico:
Los ingenieros que trabajaban para Dionisio de Siracusa (s. IV a.C.) desarrollaron las primeras catapultas basándose en los arcos de la época. El gran problema a resolver era que, a medida que el tamaño del arco se hacía más grande, el esfuerzo para poder tensarlo aumentaba considerablemente disminuyendo su manejabilidad. Las soluciones se encontraron al suplir la fuerza humana por ingenios mecánicos, estableciéndose así una tradición de manipulación mecánica que llega hasta nuestros días.
Las catapultas permitían lanzar proyectiles de 40 a 100 kg a 300 o 400 m de distancia. Estas máquinas almacenan energía para liberarla en un disparo, mediante el siguiente proceso:
sale disparado, con una energía denominada energía cinética (EC), energía de un objeto que se desplaza), de la cual dependerá la distancia que alcance y su tiempo de vuelo.
Materiales utilizados:
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· energía · energía potencial · energía almacenada · energía cinética
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
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Nubes en una botella
Con una simple botella (vacía) de plástico, un poco de agua y unas cerillas podemos hacer nubes y además aprender bastante sobre cómo 
se forman
Fundamento científico:
Si hacemos que se expansione súbitamente el vapor de agua del interior de una botella cerrada en la que hemos introducido partículas que actúen como núcleos de coondensación, el vapor se enfriará lo suficiente como para condensarse y formar una nube.
Materiales utilizados:
-Una botella de plástico (vacía, sin etiqueta pero con tapón)
-Un poco de agua
-Una cerilla
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· nubes · vapor de agua · condensación
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
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- ¿Y con lo que pasa si ponemos -con cuidado- un poquito de azúcar o sal, por ejemplo, en una bebida gaseosa?
- ¿Y con la cámara de niebla descrita, por ejemplo en la ficha "Cámara de niebla casera"?
Electricidad y magnetismo, la unión que permite la levitación
La variación de flujo magnético en el tiempo crea una fuerza electromotriz (fem) que se opone a la causa que lo provoca.
Fundamento científico:
Durante el siglo XIX, los experimentos de Oersted y Faraday, junto con la teoría de Maxwell, demostraron que la electricidad y el magnetismo se encuentran relacionados. La ley de Faraday es un ejemplo de esta relación, y nos indica que la variación de flujo magnético en el tiempo crea una fuerza electromotriz (fem) que se opone a la causa que lo provoca.
Materiales utilizados:
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· electromagnetismo · Faraday · Lenz
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
Si el campo en el electroimán se aumenta lentamente, se consigue que el anillo ascienda de forma progresiva, al ir siendo la fuerza repulsiva cada vez mayor (levitación magnética) Podemos comprobar que realmente circula corriente en el anillo tocándolo con la mano después de haber hecho que levite. El anillo está caliente debido a la disipación de calor que produce el paso de una corriente eléctrica en un conductor eléctrico por efecto Joule.
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Normalmente al pinchar un globo, este estalla. Sin embargo en determinadas situaciones, esto no ocurre... ¿por qué?
Globo que no estalla
Fundamento científico:
Si pinchamos un globo hinchado lo más probable es que estalle. Al abrir un agujero, la presión del aire interior y la tensión de la goma, dirigida hacia fuera del orificio, hacen que este crezca de forma descontrolada.
Sin embargo, hay dos zonas del globo, la que rodea a su boca y la diametralmente opuesta, en las que sucede lo contrario; la tensión tiende a cerrar el agujero y el aire no se escapa (al menos explosivamente).
Materiales utilizados:
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· presión
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
Debes pinchar en las zonas del globo que no estén tensas (cerca del nudo y el "culo" del globo). Mira el vídeo.
Leyendo obras de divulgación científica o, aún peor, estudiando física puede dar la impresión de que las partículas subatómicas de las que nos hablan son quimeras que sólo existen sobre el papel. Sin embargo, es bien fácil construir un detector casero, una "cámara de niebla" en la que partículas cargadas procedentes de los rayos cósmicos dejan unas trazas perfectamente visibles sin ningún instrumento.
Fundamento científico:
Tenemos una caja herméticamente cerrada en la que previamente hemos introducido un alcohol volátil y fácilmente ionizable. La base de la caja se mantiene fría por estar en contacto con un lecho de hielo seco (dióxido de carbono sólido) de modo que cerca de él hay vapor de alcohol sobreenfriado, es decir, que está por debajo de su temperatura de condensación.
El paso de una partícula cargada de suficiente energía deja un rastro de iones en torno al cual se condensa una nube de gotitas de alcohol formando una traza de igual manera que los aviones dejan estelas a su paso por las capas altas de la troposfera.
Materiales utilizados:
Todos los materiales se pueden adquirir o encontrar fácilmente, a1 menos en las grandes ciudades. Más adelante se darán pistas.
1. Un recipiente transparente y que pueda cerrarse herméticamente, como una pecera o tortuguera.
2. Una chapa metálica (el aluminio es lo más fácil) para cerrar el recipiente.
3. Unas tiras de fieltro o moqueta.
4. Isopropanol (alcohol isopropílico).
5. Hielo seco (dióxido de carbono sólido)
6. Cinta aislante (y quizá burlete para ventanas).
7. Iluminación, por ejemplo una lámpara halógenaorientable y de altura regulable.
El CO2 sólido (“nieve carbónica” o “hielo seco”) se puede comprar en algunos distribuidores de Air Liquide o Carburos Metálicos, por ejemplo. Se necesitan, como mucho, un par de kilos por sesión, aunque no se venden cantidades tan pequeñas. No es mala idea buscar a alguien de un laboratorio que nos pueda regalar un poco (del que se usa, por ejemplo, para transportar cultivos u otras muestras biológicas). Como indicación, en abril de 2008 nos cobraron 35 euros por diez kilos.
Es muy conveniente usarlo pulverizado, en trozos muy pequeños o en placas planas de pocos centímetros de grosor, pero no en trozos grandes.
El isopropanol lo sirve cualquier distribuidor de productos químicos, pero también se puede comprar en droguerías como "Riesgo", en la calle Desengaño de Madrid. Con un litro tenemos para muchas sesiones de cámara de niebla y el más puro costaba 19 euros en abril de 2008 (¡pero se puede usar igualmente el comercial que es bastante más barato!)
Se podría construir una especie de pecera de metacrilato, pero no merece la pena pues por poco más de diez euros (abril 2008) podemos comparar una tortuguera... La única ventaja verdadera de construirla es que así podemos elegir el tamaño nosotros y cuanto mayor sea la base, más trazas veremos.
La placa de aluminio nos la regalarán en cualquier taller de cerramientos metálicos y cortarla a medida es fácil con una sierra apropiada.
Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):
· partículas subatómicas · formación de niebla
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
El hielo seco puede ser peligroso si se maneja descuidadamente, ya que en las condiciones de nuestro experimento -lo tenemos al aire y está sublimando, es decir, pasando directamente de sólido a vapor- está a una temperatura de -79 °C.
El isopropanol también puede ser peligroso (pero no mucho más que el alcohol "normal") puesto que es muy inflamable y puede ser tóxico e irritante si se inhala o ingiere (a altas concentraciones).
Paso a seguir:
Paso a seguir:
La pecera se tapa con una chapa metálica cuya cara interior habremos cubierto con cinta adhesiva negra. Mejor aún sería pintarla con una pintura negra mate resistente al agua y al alcohol.
Para que cierre herméticamente (y este es uno de los puntos cruciales que pueden fallar) quizá convenga poner a lo largo del borde de la chapa una tira de burlete de goma (como el que hay en puertas y ventanas) pero siempre de sección continua, de modo que no haya huecos cuando el canto de las paredes de la tortuguera descanse sobre él.
Finalmente se cierra la cámara uniendo con cinta adhesiva la chapa metálica y la tortuguera a lo largo de todo el perímetro de contacto. Conviene no ser tacaño con la cinta y tener especial cuidado en las esquinas.Paso a seguir:
Ahora se pone la chapa metálica en contacto con el hielo seco (una capa de unos centímetros puede durar varias horas).
Es muy importante que el contacto sea lo mejor posible, así que el lecho se debe aplanar y, sobre todo, hay que usar el CO2 en forma de polvo, placas gruesas o fragmentos pequeños (como un grano de arroz).
Cuidado con el hielo seco que se vende como cilindros de diámetro similar al de una tiza ya que con ellos es muy difícil un buen contacto térmico. Y si no se enfría bien la placa y por tanto el vapor de alcohol cercano a ella, no veremos trazas...Paso a seguir:
Otra cosa con la que hay que tener cuidado es la temperatura de la sala en la que se monta la cámara. Queremos que el fondo de la cámara esté frío, PERO LA PARTE SUPERIOR DEBE ESTAR CALIENTE ya que, para empezar, el alcohol que empapa el fieltro se debe evaporar bien. Además, el gradiente vertical de temperaturas no puede ser cualquiera para que se formen las trazas, pero esto es complicado de explicar, así que remitimos a Cowan (1959), cuya referencia completa está en la sección de bibliografía.
El último paso antes de empezar es conseguir una buena iluminación del fondo negro de la cámara, que debería estar en un entorno poco iluminado.
Colocaremos una fuente de luz -una lámpara halógena casera orientable sirve- iluminando lateralmente (¡no desde encima!) el fondo de la cámara.Paso a seguir:
Antes de poder ver trazas hay que esperar unos minutos. La clave es mirar hacia la base negra de la cámara por el lado opuesto a la lámpara (que habrá que mover para conseguir una iluminación óptima) hasta que veamos caer una lluvia finísima de gotitas de isopropanol condensado.
Sobre esa niebla, en una capa de unos pocos centímetros por encima de la chapa aparecerán de vez en cuando condensaciones en forma de hilillo blanco que desaparecerán rápidamente. Se parecen mucho a las estelas de los aviones pero son muchísimo más efímeras.
¡Son las trazas de partículas cargadas que atraviesan la cámara!
Cuando la cámara lleve un rato funcionando se deberán ver trazas casi continuamente, pero pillar una verdaderamente densa y larga es custión de paciencia y suerte.Paso a seguir:
Construcción de la cóclea o Tornillo de Arquímedes, historia de su aplicación por los griegos, y su aplicación para elevar agua, 
arena o evacuación de aguas residuales.
Fundamento científico:
Descomposición de la fuerza del peso, y acción de la presión del aire que entra en el Tornillo.
Materiales utilizados:
Desarrollo y montaje del experimento:
Consejos y Advertencias
Cabría la posibilidad de construirlo con materiales de plástico como el PVC, para evitar la posibilidad de rotura del vidrio y los accidentes consecuentes.
Motor de Combustión Interna
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos. La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.
En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Funcionamiento (Figura 1)
1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible vaporizado entran.
2. Tiempo de compresión - El vapor de combustible y el aire son comprimidos y encendidos.
3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia afuera.
En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.
Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.
La eficiencia de los motores diésel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles más baratos.
Los motores diésel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diésel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gas oil respecto a la gasolina.
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.
En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro.
La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.
El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.
Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de recirculación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficiente como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.
Los motores Otto y los diésel tienen los mismos elementos principales.
La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al cilindro. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.
En los motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor puede tener de 1 a 28 cilindros.
El sistema de alimentación de combustible de un motor de combustión interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido, para poder ser quemado. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto, aunque tambien se puede introducir el combustible atomizado en los cilindros a través de una Bomba de inyección de combustible.
En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Muchos motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta los gases producidos en la combustión.
Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la correa de distribución.
Los motores necesitan una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el sistema de ignición consiste en un componente llamado bobina de encendido, el cual es un auto-transformador de alto voltaje al que está conectado un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca un impulso eléctrico de alto voltaje en el secundario. Dicho impulso está sincronizado con la etapa de compresión de cada uno de los cilindros; el impulso se lleva al cilindro correspondiente (aquel que está comprimido en ese momento) utilizando un distribuidor rotativo y unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto voltaje a la bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía que, fijado en cada cilindro, dispone de dos electrodos separados unos milímetros, entre los cuales el impulso eléctrico produce una chispa, que inflama el combustible.
Si la bobina está en mal estado se sobrecalienta; esto produce pérdida de energía, aminora la chispa de las bujías y causa fallos en el sistema de encendido del automóvil.
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fueraborda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. Es importante que el líquido que se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque los motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que la temperatura de ebullición del agua, esto provoca una alta presión en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques y sellos de agua así como en el radiador; se usa un anticongelante pues no hierve a la misma temperatura que el agua, sino a más alta temperatura, y que tampoco se congela a temperaturas muy bajas.
Otra razón por la cual se debe de usar un anticongelante es que éste no produce sarro ni sedimentos que se adhieran a las paredes del motor y del radiador formando una capa aislante que disminuirá la capacidad de enfriamiento del sistema. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (véase Momento de fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal.
Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal. Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante la explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al motor y proporcionan el oxígeno necesario para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
