Centro de Masa y Gravedad
Hola de nuevo a todos, estimados colegas y amigos de “steemit”. Luego de mi “steem” previo donde discutimos algunos conceptos fundamentales sobre “centro de masa” y “centro de gravedad”, me he propuesto la tarea de mostrar experimentos sencillos para enseñar los conceptos y leyes fundamentales de la física básica. Los experimentos son diseñados con materiales caseros y dirigidos tanto a estudiantes de bachillerato como de los primeros cursos de Física universitaria. Como se trata de enseñar/aprender física de forma amena, he llamado esta serie: La Física es divertida.
luz.academia.edu/JoseFermin
* La imagen de presentación es de mi propiedad y tomada con un dispositivo digital :
CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels
En esta oportunidad les traigo el experimento de la lata inclinada, cuyo objetivo es mostrar el rol que juega el centro de masa o de gravedad en la posición de equilibrio de un cuerpo. Al final concluyo con un video improvisado en un lugar público mostrando el experimento de la lata inclinada. Todo comenzó con un juego pero luego percibí la curiosidad de las personas al no poder explicar lo que ocurría con la lata. Espero les guste.
Para más información sobre este tema y otros relacionados con Ciencia, Física y Tecnología, les invito visitar mi página:
Introducción
En una entrega previa, mostramos que el centro de masa (CM) y el centro de gravedad (CG) son en general diferentes, y solo coinciden en el caso especial de cuerpos isotrópicos en un campo gravitatorio homogéneo, tal como el campo gravitatorio terrestre. Determinar la localización precisa de ambos CM y CG es esencial para la estabilidad de cualquier estructura física, mecánica ó civil. Cuando un objeto está perfectamente balanceado se dice que se encuentra en equilibrio estático. El equilibrio estático sólo puede ocurrir cuando el CM del objeto está localizado por encima de la base de sustentación del objeto en reposo, o por debajo de la misma cuando se trata de cuerpos colgantes, tomando como referencia el punto de contacto. Por el contrario cuando el CM/CG no permanece en reposo, sino más bien, ejecuta un movimiento armónico alrededor de su posición de equilibrio estático, se dice que está en equilibrio dinámico.
En esta primera parte presento un experimento muy sencillo, en el cual se muestra que para cambiar la posición de equilibrio estático de un cuerpo, su CG debe ser desplazado de su posición inicial, pero siempre por encima de su base de sustentación.
Experimento: la lata inclinada
Una lata de refresco es uno de los materiales más comunes en nuestra vida cotidiana, y que descartamos al consumir su contenido. Sin embargo, puede ser un elemento muy útil para enseñar física básica. Con una lata de refresco se pueden diseñar una serie de experimentos caseros sencillos para demostrar algunos principios y fenómenos físicos a nivel de bachillerato y física básica universitaria.
Uno de estos experimentos con latas de refresco es demostrar cómo el centro de masa ó de gravedad se debe mantener por encima de la base de sustentación de un cuerpo para que este permanezca en equilibrio estático: la lata inclinada.
Materiales:
Procedimiento
- Inclinamos la lata vacía lentamente hasta encontrar la posición de equilibrio estático. ¿Existe esa posición de equilibrio? ¿Qué ocurre?...
Explicación:
La lata vacía tiene dos posiciones de equilibrio estático: posición vertical y posición horizontal. La razón es que el centro de gravedad (CG) de una lata de refresco vacía, se encuentra localizado en el centro de la lata y coincide con el centro de la base de la lata, la cual es su propia base de sustentación o de contacto, como se muestra en la Figura 2.a. Al inclinarla desde su posición vertical el CG se mantiene en el centro de la lata, sin embargo, el CG es desplazado a una posición fuera de la base de sustentación, como se muestra en la Figura 2.b, y por lo tanto terminará volteándose y ocupando la posición horizontal. No existe una posición intermedia que permita al objeto permanecer inclinada.
)Figura 2. Lata vacía: (a) en posición vertical con CG en el centro de la lata, con proyección en el centro de la base de sustentación; (b) en posición inclinada. El CG se mantiene en el centro de la lata, sin embargo, la proyección del mismo se desplaza fuera de la base de sustentación. (Figura propia)
2) Ahora llenamos la lata hasta aproximadamente ¼ de su capacidad (puede ser menos). Inclina la lata lentamente hasta encontrar la posición de equilibrio. Como podemos observar en la Figura 3, la lata se mantiene en equilibrio. Si ahora aplicamos un pequeño torque en la parte superior, la lata gira alrededor de un eje de rotación que pasa por el punto de contacto con la superficie. ¿Podemos explicar porqué la lata no se cae?
Video casero de la lata inclinada (realización propia)
Explicación:
Al repetir el experimento con la lata con agua, lo que ocurre es lo siguiente: al llenar la lata con agua por debajo de su capacidad (p. ej. 25%), el CG se desplaza verticalmente hacia abajo, ubicándose por debajo de la superficie del líquido en el centro del volumen de agua, pero siempre con proyección en el centro de la base de sustentación. Al inclinarse la lata hasta equilibrarse, la superficie del líquido se mantiene paralela al suelo y su CG con proyección en el centro de la base de sustentación, justo encima del punto de contacto, y así la lata se mantiene en equilibrio.
Figura 3. Lata con agua: (a) en posición vertical. El CG ahora se localiza por debajo de la superficie del líquido, con su proyección en el centro de la base de sustentación; (b) en posición inclinada. El CG se mantiene por debajo de la superficie del agua, pero por encima del punto de contacto y con proyección en el centro de la base de sustentación. (Figura propia)
Esta posición es tan estable, que aún aplicando un ligero torque en la parte superior de la lata, ésta comenzará a girar en torno a un eje de rotación que pasa por el punto de contacto y perpendicular a la superficie. (ver video)
Comentarios
Como comentarios adicionales, es importante llamar la atención que el objetivo de este y otros experimento similares, no es sustituir ni modificar la infraestructura que algunos pocos institutos educativos poseen, así como tampoco se pretende modificar los planes de estudio actuales. Para esos fines deben implementarse estrategias institucionales. 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)..
Saludos @jfermin70. Excelente trabajo. Experiencias didácticas como la que presentas despiertan el interés por la ciencia.
Gracias, tengo otras x ahi...las voy a preparar...un abrazo...
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Muy bien explicado los ejemplos con el vídeo, no sabia de este experimento esta genial creo que are unos trucos de magia con esto para los que no saben jeje. saludos
Gracias @osita 21, tengo otros experimentos.... pronto los montaré para todos Uds...
Saludos @jfermin70. La experiencia además de ser didáctica y llevada a cabo con objetos cotidianos, muestra el lado divertido de la Física. Gracias por compartirlo.
Gracias @hugobohor, la idea es llevar toda la experiencia de mas de 30 años a todos... y que la puedan aprovechar sin límiltes... un abrazo...
Gracias por compartir con todos parte de su nutrida experiencia. Para quienes nos dedicamos a la enseñanza de la Física este tipo de experiencias nos son útiles. ¡Un abrazo!
Excelente trabajo mi amigo y colega @jfermin70 ¡Felicitaciones!
Le invito considerar mi post https://steemit.com/stem-espanol/@tsoldovieri/son-iguales-el-centro-de-masa-y-el-centro-de-gravedad que está muy relacionado con sus posts sobre centro de masa y centro de gravedad. Se titula: ¿son iguales el centro de masa y el centro de gravedad?.
En realidad me divierte cuando entiendo lo que observo y comprendo al analizar. Y sí existe una persona como usted, dispuesta a explicar el fenómeno físico ¡mejor! La diversión es así como un asombro por comprender lo que antes no detallábamos...
Saludos @jfermin70
Gracias amiga... estoy preparando otro experimento para Uds...
Que chevere que retomaste estas prácticas. Me recordaste cuando íbamosal Liceo Baralt a hacer Servicio Comunitario. Saludos
Si, creo que esta es la mejor plataforma para dar a conocer esas cosas... o mejor dicho, recordarlas...
Interesante post @jfermin70
Una manera de mostrar de forma didáctica y lúdica una ciencia cotidiana y cercana. Es la forma de llamar el interés de la juventud por la física y las ciencias naturales en general... felicitaciones.
Gracias... espero que los próximos experimentos sean de su agrado...