Un juguete saltarín

Por Francisco R. Villatoro, el 26 diciembre, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Physics • Science

Dibujo20140716 The real toy performing a back somersault - From a movie - extracted pictures - EJP IOP

Los juguetes motivan a los estudiantes en el aula, pero su física no siempre es sencilla de explicar. Este canguro de juguete salta mientras gira 360 grados en el aire (gracias a una fuente interna de energía, un muelle en espiral). Su movimiento combina una traslación y una rotación. La física de este juguete combina mecánica y termodinámica, luego es un ejemplo ideal para los profesores que quieren ilustrar la relación entre ambas materias.

Primero se le da cuerda al juguete, para acumular energía en el muelle. Colocado sobre una mesa (a), flexiona sus patas (b), las extiende, se eleva su centro de masas, aumenta su velocidad lineal y empieza a girar (c). Durante el giro (e)-(f) no tiene contacto con el suelo y su centro de masas describe una parábola. Aterriza con las patas en el suelo (i) hasta parar por completo (j).

Este juguete ilustra como la energía interna se disipa en forma de calor y como la entropía crece en el proceso. Un motivo más que suficiente para que muchos profesores de física lo usen en sus clases. El artículo técnico, de acceso gratis, es J. Güémez, M. Fiolhais, “The physics of articulated toys—a jumping and rotating kangaroo,” European Journal of Physics 35: 045018, 7 May 2014 [free article]. 

Dibujo20140716 toy model - EJP IOP

No quiero entrar en detalles técnicos (como el artículo es de acceso gratuito nadie tendrá problema en leerlo). La formulación matemática mediante la mecánica de Newton usa fuerzas y momentos (o pares) de fuerzas. Para la energía interna se usa un formulación termodinámica sencilla.  Para los profesores de física quisiera destacar que este juguete ilustra muy bien la relación entre la conservación de la energía en mecánica y la irreversibilidad termodinámica mediante la segunda ley (la entropía siempre crece).

Dibujo20140716 toy jump - EJP IOP

El movimiento del juguete se estudia en tres etapas separadas. En cada una se simplifica el modelo matemático asumiendo que todas las fuerzas son constantes. Esta aproximación es válido cuando el impulso total que producen estas fuerzas y sus correspondientes momentos es idéntico al obtenido cuando las fuerzas no son constantes (para ello se usan consideraciones basadas en la conservación de la energía).

Los juguetes son un vehículo ideal para explicar física. No siempre encontramos física fácil de explicar. Desarrollar modelos que ilustren su física a un nivel que puedan entender los estudiantes es todo un reto. Un reto cuya superación todo profesor debería incluir entre sus buenos propósitos para el año entrante.



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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 26 diciembre, 2014
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