Juguetes con física

Rafael García Molina / 05-01-2006

Durante las fiestas navideñas, en mi condición de padre y profesor de física, me marco dos propósitos: ayudar a mis hijas a redactar su carta a los Reyes Magos y, por qué no decirlo, escribir yo mi propia carta, donde pido a Melchor, Gaspar y Baltasar que me traigan algunos juguetes y artículos de regalo que me sirvan para captar la atención y estimular el interés de los estudiantes (y del público general) por la física.

El contenido de la carta de este año no lo voy a revelar, porque aún no la he escrito y, en caso de que así fuera, sólo Sus Majestades los Reyes de Oriente han de conocerla. Pero sí mencionaré algunos de los juguetes que he conseguido en ocasiones anteriores (ver multimedia primero).


Camello caminante

Es un pequeño camello con una cuerda atada al cuello que lleva un peso atado a la punta. El camello se deja sobre una mesa horizontal, con el peso colgando justo en el borde. Entonces comienza a "caminar" (arrastrado por el peso que pende de su cuello), pero cuando llega justo al borde de la mesa se para en seco, sin llegar a caerse.

Éste ejemplo ilustra la descomposición de fuerzas. La tensión del hilo que tira del cuello del camello se puede descomponer en una componente horizontal (la que lo arrastra) y en otra vertical (que contribuye a la fuerza de rozamiento entre el camello y la superficie de la mesa).

A medida que el camello se acerca al borde de la mesa, aumenta el ángulo que forma el hilo con la horizontal y cuando el camello llega al borde, la componente vertical de la tensión del hilo se ha incrementado notablemente, con el consiguiente aumento de la fuerza de rozamiento, mientras que la componente horizontal ha disminuido. Por esto el camello se frena en el borde de la mesa.


Osito escalador

Un osito de madera cuelga sostenido por dos cordeles, que atraviesan sus manos, y que cuelgan de una varilla rígida (pero que puede bascular), fijada al techo u otro lugar. Al estirar alternadamente de cada uno de los cordeles, el osito asciende (por los agujeros de sus manos, se podría decir). Cuando se dejan sueltos los cordeles, se desliza hacia abajo.

Lo que ocurre es que al tirar de un cordel (el derecho, por ejemplo,) el agujero de la mano derecha del osito permanece vertical y por él se desplaza el cordel hacia abajo gracias al balanceo de la varilla rígida. Al mismo tiempo, donde el cordel izquierdo roza la madera del agujero de la mano, la tensión del cordel tiene una componente que es perpendicular a la superficie en contacto, lo que produce una fuerza de rozamiento entre la madera y el cordel izquierdo. Esto hace que la mano izquierda del osito se desplace unos centímetros hacia arriba arrastrada por el cordel izquierdo, que ha ascendido al inclinarse la varilla rígida hacia la derecha.

Seguidamente se repite el mismo proceso, pero intercambiando izquierda por derecha. De este modo, el osito va trepando hacia el lugar donde está colgada la varilla basculante.

Este juguete muestra cómo la fuerza de rozamiento depende no sólo de la naturaleza de las superficies en contacto (cordel y madera, en este caso), sino también de la fuerza normal entre ambas superficies. También ilustra la descomposición vectorial de una fuerza (en este caso, la tensión del cordel).


Pajarito carpintero

Se trata de un pájaro unido a un muelle, que a su vez está unido por un tubito a un palo central. Al soltar el pájaro desde la parte superior del palo, comienza a descender con un movimiento que recuerda al de un pájaro carpintero, golpeando el palo o alambre con su pico.

El pajarito se desliza por el tubito de madera que rodea al alambre. Cuando la parte inferior del tubito está en contacto con el alambre, se genera una fuerza de rozamiento que evita su deslizamiento. Entonces el pajarito permanece inmóvil. Pero cuando el muelle que une el pajarito al tubito comienza a oscilar, el tubito también oscila alrededor de la posición vertical del alambre, golpeándolo alternativamente con su parte superior e inferior.

Cada vez que lo golpea, la fuerza de fricción evita que el tubito caiga, pero entre golpe y golpe el tubito está alineado con el alambre y va descendiendo según la secuencia con que tocan sus bordes superior e inferior el alambre (o palo) central.


Osito equilibrista

Este simpático animal montado en un monociclo no pierde el equilibrio sobre una cuerda tensa. Además, si la cuerda está ligeramente en pendiente el osito se desplazará sobre ella como hacen los funambulistas en el circo, sin caerse.

La gran estabilidad de este juguete es debida a que las pértigas que el osito sostiene están inclinadas hacia abajo y tienen una masa apreciable en sus extremos. Esto hace que el centro de masas del conjunto (formado por el osito y las pértigas) tenga su centro de gravedad justo debajo del punto de apoyo, lo que le proporciona un equilibrio muy estable.

En los circos existen números de equilibrio que se basan en un principio físico similar. Por ejemplo, hay bicicletas que tienen una gran masa colgando por debajo, que compensa cualquier oscilación (imprevista o forzada) del sujeto montado en ellas.

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El autor

Rafael García Molina es Licenciado y Doctor en Física por la Universitat de Valencia. Finalista en "Ciencia en Acción" y representante de España en "Physics on Stage". Profesor y divulgador de la física, trabaja en el Departamento de Física de la Universidad de Murcia.

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