Navidad con ciencia

Rafael García Molina / 23-12-2004

En estas fechas navideñas los escaparates están llenos de juguetes, cada año más complejos. En ocasiones resulta incluso difícil encontrar la peonza de antaño, el arco y las flechas... Quizás demasiado sencillos para los gustos actuales, estos juguetes, y otros de igual solera, ayudan sin embargo a ilustrar algunas leyes físicas con las que convivimos diariamente.

Empecemos con la peonza, ese juguete típicamente de madera y que parece una pera invertida, pero que se fabrica en innumerables formas y con diversos materiales. Fijémonos que estando en reposo es prácticamente imposible mantenerla vertical apoyada sobre su punta, lo cual se consigue fácilmente haciéndola girar rápidamente alrededor de su eje; así, pues, el equilibrio estático de la peonza es muy precario, mientras que el equilibrio dinámico (mientras gira) es estable. Como en muchas ocasiones no se consigue lanzar la peonza con el eje de giro exactamente vertical, su extremo superior comienza a describir círculos mientras que el inferior apenas se mueve de la superficie sobre la que se apoya. En física nos referimos a este último comportamiento como la precesión del eje de giro y lo explicamos, así como la estabilidad vertical de la peonza girando, recurriendo a la ley de conservación del momento angular.

Entre las peonzas tradicionales las hay de diseños variados y decoradas con diferentes colores, con las cuales se pueden observar diversos efectos ópticos, tales como la obtención del color blanco por superposición de colores, la persistencia de imágenes en la retina, etc. La estructura de otras peonzas es de metal hueco, con orificios o ranuras estratégicamente dispuestos en sus laterales para que, al girar, emitan un sonido similar al ulular de las sirenas. Recientemente también se encuentran peonzas que emiten música y se iluminan cuando giran, debido a que se conectan las terminales de un circuito eléctrico que contienen en su interior. La conexión del circuito se activa porque uno de sus extremos (relativamente móvil) hace contacto con el otro (fijo y más alejado del eje de rotación de la peonza que el anterior) sólo cuando la peonza gira, debido a lo que algunos denominan fuerza centrífuga y otros fuerza centrípeta (terminología que depende de si el movimiento se describe desde el sistema que gira o desde un sistema fijo).

Los arcos y pistolas que disparan (inofensivos) proyectiles con una ventosa en la punta constituyen otro juguete tradicional y barato, excelente para ilustrar diferentes leyes y fenómenos físicos. Por ejemplo, ponen de manifiesto la ley de la conservación de la energía, mostrando cómo ésta puede transformarse de una forma a otra. Sin entrar en definiciones demasiado técnicas, podemos decir que la energía potencial de un objeto está asociada a su posición; así, la energía potencial gravitatoria depende del lugar que ocupa un cuerpo respecto de la Tierra (para el caso que nos ocupa); y la energía potencial elástica depende de la posición relativa que ocupan los átomos constituyentes de dicho cuerpo. En cambio, la energía cinética de un objeto está asociada a su velocidad.

Al tensar un arco almacenamos energía potencial elástica en su varilla doblada (o en el muelle comprimido de una pistola); al soltar la cuerda del arco, la varilla recupera su forma y la energía que tenía almacenada se transfiere en forma de energía cinética al proyectil, el cual sale disparado a toda velocidad. Además, si el lanzamiento es hacia arriba, la energía cinética del proyectil va disminuyendo a medida que aumenta su energía potencial gravitatoria, hasta que toda la energía que posee es gravitatoria cuando llega a la altura máxima. Observando el movimiento en el aire de los proyectiles puede estudiarse su alcance en función del ángulo de lanzamiento; en particular, se comprueba que hay dos ángulos con la horizontal que proporcionan el mismo alcance y que el ángulo de 45º es el de mayor alcance horizontal, aunque esto sólo es estrictamente válido en ausencia de rozamiento.

Como no basta con dar en el blanco, en las puntas de los proyectiles hay unas ventosas que se quedan adheridas a las superficies lisas. Esto ocurre porque la presión atmosférica que actúa sobre la parte exterior de la ventosa es bastante mayor que la presión en su interior, ya que al aplastar la ventosa contra la superficie se expulsa una porción apreciable del aire contenido entre ambas. Es muy sencillo desprender la ventosa dejando entrar nuevamente un poco de aire, porque se igualan las presiones dentro y fuera. De hecho, los niños avispados utilizan la saliva a modo de sellador para que no se infiltre aire a través de las irregularidades que suele haber en los bordes de la ventosa.

Un coche que funciona mediante un mecanismo de muelles permite ver cómo la energía potencial elástica almacenada en el muelle se transforma en energía cinética cuando el coche se pone en movimiento. Si, además, se le hace ascender por una pendiente, observamos cómo va disminuyendo su energía cinética porque se va transformando en energía potencial gravitatoria. Dejándolo caer desde la parte alta de una rampa se aprecia que la distancia recorrida sobre una superficie horizontal será mayor cuanto más elevado esté sobre la rampa, porque así llega al final de la misma con mayor velocidad (ya que cuanto más alto esté tendrá más energía potencial gravitatoria). Dejando caer sendos coches desde dos pendientes enfrentadas se puede estudiar la dependencia del choque entre ambos en función de sus masas, velocidades, ángulo de colisión, etc. Además, si se añade plastilina a la parte delantera de los vehículos, al chocar quedarán unidos, mostrando lo que sucede en una colisión inelástica; en cambio, si se les pone una buena goma elástica, chocarán con un rebote típico de una colisión elástica.

Tras conocer algo de la ciencia que hay detrás de estos juguetes, es posible que compremos alguno como regalo. ¿Por qué no envolverlos en un papel que también nos evoque algún fenómeno físico? En particular, hay algunos que tienen un brillo iridiscente debido a las interferencias de la luz que se refleja, bien a través de una red de difracción consistente en pequeños surcos impresos en el papel, bien a través de una película transparente de espesor no homogéneo que lo recubre.

Si ha anochecido mientras curioseábamos entre los juguetes, al alejarnos de la tienda veremos los anuncios de neón con el nombre de la juguetería, lo cual nos recordará que estas luces no son otra cosa que una descarga eléctrica en un gas enrarecido… y que la física nos rodea por todas partes.

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Multimedia

  • La peonzaLa peonza

    Autor: Gotzon Cañada

    Créditos imágenes originales: ver animación

    © caosyciencia.com

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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