LA FÍSICA ES DIVERTIDA: PARTE 3

Plataformas Flotantes

Hola de nuevo a todos, apreciados colegas y amigos de STEEMIT. En artículos previos de “La Física es divertida”, presenté dos experimentos muy simples pero atractivos donde se demostró el comportamiento de objetos sólidos en equilibrio estático y dinámico. Observamos como una lata de refresco se puede mantener en equilibrio estático, cuando es apoyada sobre una de las esquinas de su base, mientras que una vela encendida realiza un movimiento oscilatorio alrededor de su centro de rotación. Por si te los perdiste, puedes leerlos en:

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

Si son curiosos y observadores (como buenos científicos) se habrán dado cuenta que muchas estructuras civiles están basadas en componentes asimétricos en suspensión libre y no se caen. Asombrando al común de la gente que no está familiarizada con los fenómenos físicos. En esta ocasión quiero mostrarles el experimento del balancín, cuyo objetivo es demostrar que para mantener un objeto sólido en suspensión libre, es necesario mantener su Centro de Gravedad (CG) por debajo de la base de sustentación de la estructura.

Con la finalidad de hacer este proyecto más interactivo, les agradezco dejarme sus inquietudes y preguntas en un REPLAY, y así darles respuesta. Al final concluyo con algunos videos caseros. 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

Todo el material presentado en este trabajo es original y propiedad del Autor. Las fotografías y videos fueron realizados con un dispositivo digital: CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels.

Introducción

En experimentos anteriores les mostré que cuando un objeto está perfectamente balanceado éste se encuentra en equilibrio estático o dinámico. En posición de equilibrio estático el centro de gravedad (CG) del objeto permanece en reposo por encima de la base de sustentación del cuerpo, mientras que en el equilibrio dinámico, el CG ejecuta un movimiento oscilatorio alrededor de un punto fijo. Sin embargo, estos no son los únicos estados de equilibrio de un sistema mecánico. Existe otro estado de equilibrio mecánico mixto en el cual el CG se mantiene

¡por debajo de la base de sustentación!

¿Es esto posible?

…leanme y lo sabrán…

Como vimos en el artículo anterior, el CG de un sistema mecánico puede estar en movimiento, y aún así mantenerse en equilibrio. Este estado se denomina “equilibrio dinámico”, y es muy común en la naturaleza. Ocurre cuando el CG se mueve alrededor de un punto fijo de tal manera que su posición media es cero. Existe otro estado de equilibrio que es intermedio entre el equilibrio estático y el dinámico, y es aquel en el cual el CG se balancea alrededor de un eje fijo hasta su posición estática. Este eje está determinado por la recta que une el punto de apoyo con el CG por debajo de la base de sustentación. En esta ocasión traigo experimentos cuyo objetivo es demostrar cómo es posible mantener un sistema en equilibrio estático o dinámico, con el CG fuera del sistema. Estos sistemas se denominan balancines y son similares a un péndulo físico. Son estructuras compuestas pero muy estables, y en ocasiones son vistas en muchas construcciones civiles ornamentales así como en estructuras anti-sísmicas. Estos experimentos son en general complejos en virtud de la cantidad de parámetros que involucran. Sin embargo, les traigo aquí mi versión simplificada de unos pocos experimentos clásicos sobre estructuras compuestas en equilibrio mecánico.

Experimentos con plataformas flotantes

Es impresionante la cantidad elementos en nuestra vida cotidiana que nunca hemos pensado que pueden ser utilizados para demostrar las leyes de la física, o construir estructuras funcionales. Como ejemplo tenemos los envases de anime, pedazos de cartón y alambre, envases de refresco, plastilina, ganchos de ropa, entre muchos otros.

Alguna vez se han preguntado cómo:

¿colocar una esfera encima de una barra cilíndrica ó una plataforma plana sin que se caigan?

En los siguientes experimentos intentaré reproducir los secretos que nos tiene la física. Uno de estos experimentos con materiales descartables son aquellos en los que una estructura compuesta se balancea con respecto a un punto o eje de equlíbrio, y los cuales se describen y explican a continuación.

Materiales:

- Esferas de anime de diferentes tamaños

-1 esfera de goma

-1 lámina de anime

-Alambre fino de metal

-1 barra cilíndrica de plástico o cartón

-Plastilina

-2 envases de refresco o frascos largos

-1 pinza para cortar alambre

Figura 1. Materiales usados para montar el experimento del balancín (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels)

Procedimiento general

1. Primero corta el alambre de metal con la pinza, en hilos de aproximadamente 20 a 25 cm.

2. Dobla ligeramente los alambres en forma de arco. Con los alambres en arco puedes obtener mejor estabilidad mecánica que con alambres los rectos. Puedes comprobarlo por ti mismo.

3. Con cuidado corta trozos de anime en forma de paralelepípedos largos en comparación con el ancho

4. Coloca la plastilina en las tapas de los envases de refresco y luego fija la barra cilíndrica encima de las plastilinas. Esto es para disminuir los movimientos de pivote en la estructura

Figura 2. Estructuras básicas para el montaje de una plataforma flotante

Montaje de las plataformas

Como ejemplo del balancín construyamos plataformas flotantes. Y veamos si es posible equilibrarlas sin pegamento alguno. Para esto perforamos una de las caras menores de un paralelepípedo de anime, con uno de los hilos de alambre. En el otro extremo del hilo coloca la esfera más pequeña. Coloca la plataforma de anime en la barra cilíndrica y muévela hasta que esté completamente paralela al plano del piso (puedes ayudarte con un nivel de burbuja).

Ahora retira la esfera de uno de los extremos y coloca la más grande, y repite el procedimiento.

Compliquemos la situación aún más: cambia la esfera de anime por la esfera de goma. Esta es más pesada y debes tener cuidado de no maltratar demasiado al plano de anime. Repite el procedimiento.

¿Puedes describir lo qué ocurre? ¿Puedes equilibrar las estructuras? ¿Dónde está el centro de gravedad? ¿Hay diferencia entre una plataforma y otra?

Figura 3. Algunos sistemas de balancín de plataforma flotante utilizados en este trabajo (Figura propiedad del Autor)

Explicación:

Como se muestra, siempre es posible equilibrar todos los balancines en la barra cilíndrica. Al colocar las láminas de anime sobre la barra, el sistema comienza a oscilar ligeramente alrededor del eje de la barra o punto de apoyo, hasta que se detiene en su posición de equilibrio estático. En el estado de equilibrio estático, la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el sistema es nula. Sumando la resultante de las fuerzas en cada punto de contacto, debe cumplirse la condición de equilibrio:

MASA x ACELERACIÓN = PESO 1+ PESO 2 + NORMAL 1 + TENSIÓN + FRICCIÓN = 0

Sin fuerza resultante, la aceleración del sistema es cero y por lo tanto, el sistema se mantiene en reposo o en movimiento de equilibrio dinámico. En la Figura 4 se muestra el diagrama de las fuerzas del sistema experimental (real).

Figura 4. Diagrama de fuerzas del balancín de plataforma flotante (Figura propiedad del Autor).

Observen también que la posición de equilibrio (punto de apoyo) no coincide necesariamente con la posición del CG de la barra de anime, sino más bien está desplazada del centro de la barra. El CG del balancín además está por debajo del plano de sustentación y a lo largo de la recta que une el centro de gravedad del anime y el CG de la esfera. Por eso la barra de anime se desplaza de su CG original. La posición del CG del sistema compuesto en su estado estático es,

El CG de esta estructura es calculado en la geometría de la Figura 5 y empleando la teoría clásica presentada en mi “post”:

https://steemit.com/steem-espanol/@jfermin70/centro-de-masa-y-de-gravedad-teoria

Figura 5. Geometría empleada en el cálculo del CG de la estructura (Figura propiedad del Autor).

Ya que la longitud de la pieza de anime es muy larga en comparación con el ancho, se considera que el punto de apoyo se desplaza solo en la dirección horizontal con respecto al CG del anime.

Otro aspecto a resaltar en estas estructuras es que el centro de la esfera siempre coincide con el punto de apoyo, independientemente de la masa de la esfera. Es decir, puedo controlar el punto de apoyo y la posición del CG del sistema moviendo la esfera en el plano de la lámina o perpendicular al mismo. De estas últimas ecuaciones se desprende que si las masas son iguales, el CG de la esfera se debe ubicar debajo del CG de la barra de anime, de tal manera que el CG de la estructura se localizará ahora entre ambos centros de gravedad. En este caso, el punto de apoyo es precisamente el CG del anime.

Como contribución adicional les presento a continuación otra versión del experimento y un truco de magia basado en la estabilidad mecánica, al final desenmascaro al mago…

… No se los pierdan …

Video 1: El equilibrio en extremo

Video 2: Un truco de magia

Video 3: Desenmascarando al mago

Comentarios finales

Les he mostrado y revelado algunos “trucos” que la física nos esconde a menudo, pero que son utilizados en nuestra vida real, cotidiana. Las plataformas flotantes han sido ampliamente empleadas en la construcción de estructuras civiles y obras de arte, dejándonos a veces asombrados al común de la gente. Son también útiles en el diseño de estructuras anti-sísmicas. Así mismo han sido la base de muchos espectáculos de magia.

Como comentarios de cierre, siempre me gusta recalcar que nuestro objetivo en este proyecto, no es sustituir ni modificar la forma de enseñar la física, sino más bien de hacer evidente la importancia del estudio de las leyes de la física. Lo que nos hemos planteado es facilitar herramientas didácticas que puedan incorporarse al proceso de enseñanza/aprendizaje de la física y ciencias afines.

…Con imaginación y algo de física básica podrán ser magos…

… Hasta el próximo encuentro con la FISICA ES DIVERTIDA …

Lecturas sugeridas sobre física divertida y otras curiosidades de física:

1. Neil Ardley, 101 grandesexperimentos. 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).

<divclass=text-justify">4. Judith Hann, Guía práctica ilustrada para los amantes de la ciencia (Blume, Barcelona, 1981).

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

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

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

8. GastonTissandier, 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).