LA FÍSICA ES DIVERTIDA

Experimento 2: Movimiento del Centro de Gravedad

Hola a todos, estimados colegas y amigos de STEEMIT. En mi “steem” previo iniciamos la serie: “La Física es divertida”, donde les mostré con un experimento casero cómo una lata de refresco se puede mantener en equilibrio estático, cuando es apoyada sobre una de las esquinas de su base. Por si te lo perdiste, puedes leerlo en:

https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida-parte-1

Poco a poco iremos mejorando el formato de las presentaciones, así como los contenidos.

En esta oportunidad les traigo el experimento de la vela oscilatoria, cuyo objetivo es mostrar el efecto que produce el centro de gravedad en el equilibrio de un objeto al cambiar su posición de un lado al otro. En particular en un movimiento oscilatorio. Al final concluyo con un video casero, tomado en una fiesta infantil. Espero les guste.

Para más información sobre este tema y otros relacionados con Ciencia, Física y Tecnología, les invito visitar mis sitios:

luz.academia.edu/JoseFermin www.researchgate.net/profile/Jose_Fermin

* Todas las imágenes presentadas en éste artículo son de mi propiedad y tomadas con un dispositivo digital: CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels

Introducción

En el experimento anterior mostramos que cuando un objeto está perfectamente balanceado éste se encuentra en equilibrio estático. En posición de equilibrio estático el centro de gravedad (CG) del objeto permanece en reposo por encima de la base de sustentación del cuerpo. El equilibrio estático o de reposo no es la única condición de equilibrio mecánico de un cuerpo. El CG de un sistema mecánico puede estar en movimiento, pero aún así mantenerse en equilibrio. A este estado lo llamamos “equilibrio dinámico”, y ocurre cuando el CG se mueve a lo largo de la vela, alrededor de un punto fijo de tal manera que su posición media es cero,

POSICIÓN MEDIA(CG)=0

Tal es el caso en el cual el CG ejecuta un movimiento armónico alrededor de su posición de equilibrio estático. En esta segunda entrega les traigo un experimento muy sencillo pero vistoso, en el cual se puede observar un objeto en equilibrio dinámico: La vela oscilatoria.

Experimento: La vela oscilatoria

Una vela es uno de esos elementos cotidianos que nunca deben faltar en una casa, sobre todo en estos días, en los cuales se requieren de acciones improvisadas para generar luz de origen diferente a la eléctrica. Una vela puede ser un elemento muy útil para enseñar física básica. Con una vela podemos diseñar una serie de experimentos caseros para demostrar algunos principios y fenómenos físicos a nivel de bachillerato y física básica universitaria. Uno de estos experimentos con velas es demostrar cómo el centro de masa o de gravedad se mueve de un lado a otro, pero manteniendo al objeto en equilibrio dinámico. Este es el experimento de la vela oscilatoria.

A continuación les presento una descripción del diseño experimental y posteriormente una explicación del fenómeno observado.

Figura 1. El experimento de la vela oscilatoria. (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels)

Materiales:

- 1 Regla

-1 Vela

-1 Aguja/alfiler largos

-2 copas/vasos de vidrio

-1 Encendedor/fósforos

-Una pinza (opcional)

Figura 2. Materiales para el montaje del experimento (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels)

Procedimiento

1. Primero retira cera de la base de la vela hasta descubrir el extremo de la mecha.

2. Con ayuda de la regla y el marcador determina el centro de la vela. Allí se localiza su CG.

3. Calienta la aguja ligeramente sujetándola con la pinza y atraviesa la vela a través del CG.

4. Coloca la vela entre las dos copas, apoyándose en los extremos de la aguja. Probablemente la vela comenzará a oscilar. Espera hasta que se equilibre.

5. Enciende un extremo de la vela. Espera unos segundos hasta que la vela comience a moverse, en ese instante enciende el otro extremo.

¿Qué ocurre? ¿Puedes explicar lo que ves?

Figura 3. Esquema resumido del montaje del experimento de la vela oscilatoria (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels)

Explicación:

Al encender uno de los extremos de la vela, la cera comienza a derretirse perdiendo masa la vela, desplazando su CG hacia el extremo opuesto el cual desciende por gravedad. Cuando el otro extremo se enciende y pierde cera, también pierde masa y el CG se mueve hasta el extremo anterior. Este proceso se repite en el tiempo, produciendo un movimiento oscilatorio del CG alrededor del Centro de Rotación (puntos de contacto aguja-vidrio) y un efecto de sube-y-baja en la vela (Ver Figura 4).

Figura 4. Explicación gráfica del experimento de la vela oscilatoria. A medida que los extremos de la vela se derriten, se pierde masa y el CG se desplaza hacia el extremo de mayor masa, y por efecto de la gravedad el vela oscila produciendo un efecto de sube-y-baja (Figura propiedad del Autor)

Otro detalle importante en éste experimento es que el Centro de Rotación, o puntos de contacto de la aguja con el vidrio, no se mueven y permanecen fijos: condición esencial para el equilibrio dinámico. Esta es una pregunta interesante para los estudiantes considerando que la fricción metal-vidrio es muy pequeña. Entonces:

¿Cómo es posible que a pesar del movimiento del CG y la poca fricción, el centro de rotación se mantenga fijo?

Este es un problema interesante en física e ingeniería y su descripción teórica queda para otro “post”, ya que el objetivo de este experimento es mostrar la fenomenología del equilibrio dinámico. En toda estructura en equilibrio la resultante de todas fuerzas que actúan sobre el punto de contacto es nula (ver Figura 5). En el caso presentado aquí, la condición de equilibrio es:

PESO + FUERZA CENTRÍPETA + NORMAL + FRICCIÓN = 0

En otras palabras, a pesar de la fuerza de fricción tan débil, es suficiente para equilibrar las demás fuerzas en los puntos de contacto, y anular cualquier torque sobre la aguja.

Figura 5. Diagrama de fuerzas que actúan en los puntos de contacto (círculos grises) aguja-vidrio. El torque total debe ser cero para que la aguja no se desplace (Figura propiedad del Autor).

Para sacar la vela de su equilibrio dinámico, aplíquese un ligero toque vertical sobre uno de los extremos de la vela mientras ésta oscila. Verás cómo la aguja se desliza sobre el borde del vidrio a medida que ésta gira.

Finalmente, a continuación un video casero tomado en una reunión infantil, con el objetivo de animar a los chicos (ver video)

Conclusión y comentarios finales

Hemos visto en este “steem” cómo es posible mantener una estructura física en equilibrio mecánico, aún cuando su CG está en movimiento. Para esto se requieren dos condiciones mecánicas:

1. Posición media del CG con relación al punto de equilibrio estático, igual a cero,

2. Fuerza neta aplicada sobre los puntos de contacto, igual acero.

Es importante llamar la atención que el objetivo de estos experimentos caseros, no es sustituir los experimentos formales que algunos pocos institutos educativos poseen, así como tampoco se pretende modificar los planes de estudio actuales. Lo que nos hemos planteado es facilitar herramientas didácticas que puedan incorporarse al proceso de enseñanza/aprendizaje de la física y otras ciencias naturales.

Lecturas sugeridas sobre física divertida y otras curiosidades de física:

1. Neil Ardley, 101 grandes experimentos. La ciencia paso a paso (Ediciones B, 1997).

2. Isabel Amato y Christian Arnould, 80 experimentos para hacer en casa. Respuestas a los curiosos (Ediciones B, Barcelona, 1992).

3. Fundación Thomas Alva Edison, Experimentos fáciles e increíbles (Martínez Roca, Barcelona, 1993).

4. Judith Hann, Guía práctica ilustrada para los amantes de la ciencia (Blume, Barcelona, 1981).

5. Antonella Meiani, El gran libro de los experimentos (San Pablo, Madrid, 2000).

6. Yakov I. Perelman, Física recreativa (Eds. Martínez Roca, Barcelona, 1971).

7. Yakov I. Perelman, Problemas y experimentos recreativos (Mir, Moscú, 1975).

8. Gaston Tissandier, Recreaciones científicas, o la física y la química sin aparatos de laboratorio y sólo por los juegos de la infancia (Alta Fulla, Barcelona, 1981).

9. Tom Tit, La ciencia divertida (José J. de Olañeta, Palma de Mallorca, 1992).

10. Alejandra Vallejo-Nágera, Ciencia mágica. Experimentos asombrosos para genios curiosos (Martínez Roca, Barcelona, 1999) .

11. Janice P. Van Cleave, Física para niños y jóvenes. 101 experimentos super divertidos (Limusa, México, 1997)..