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Profr. José Adalberto Esparza López
Publicado el: 09.09.2009

Profr. José Adalberto Esparza López
Publicado el: 29.08.2009
Segunda ley de Newton con un huevo que no se rompe

En el artículo se discute el interés de las demostraciones en el aula y se describe una experiencia sencilla: un huevo que se lanza contra una sábana sostenida por dos alumnos no se rompe. Las estimaciones razonables de velocidad y distancia permiten calcular de un modo aproximado las fuerzas que actúan sobre el huevo, a partir de las representaciones gráficas velocidad-tiempo y de la segunda ley de Newton.

Descripción de la demostración
Actividades complementarias

 

La realización de experimentos debería constituir una parte esencial del aprendizaje de la física en la enseñanza secundaria. Sin embargo, por distintas razones que no se discutirán aquí, todavía son pocos los centros educativos en los que el alumnado utiliza el laboratorio de forma regular.

Las demostraciones en el aula constituyen un complemento y una alternativa a las experiencias tradicionales de laboratorio. Su mayor virtud consiste en permitir que el alumnado visualice, aunque sea de un modo tosco, los fenómenos que se pretenden justificar teóricamente. Si, como sucede a menudo, estas demostraciones son atrayentes, resultan muy útiles para captar la atención del alumnado y estimular las discusiones haciendo de la física que se explica en el aula algo más vivo y conectado con el mundo real (Cortel, 1999).

El experimento que se presenta a continuación tiene unas características que lo hacen más apropiado para una demostración en el aula que para una experiencia de laboratorio. Se trata de tirar un huevo contra una sábana sostenida por dos alumnos: contra todo pronóstico, el huevo no se rompe (Ehrlich, 1999). Se hacen estimaciones sobre las aceleraciones en el movimiento del huevo y, a partir de la segunda ley de Newton o del principio de conservación de la energía, se calculan las fuerzas que actúan sobre el huevo. La magnitud de estas fuerzas, mucho menor de lo que se podría suponer, permite comprender por qué el huevo no se rompe.

La demostración es insólita y divertida. Por ello, el alumnado está atento durante el breve tiempo que dura la demostración (unos 10 minutos) y algunos alumnos participan tirando el huevo o sujetando la sábana. Por otra parte, la demostración está asociada a conceptos básicos de física y permite hacer estimaciones razonables de magnitudes importantes (velocidad, fuerza, aceleración, etc.). Además, la demostración se puede relacionar con situaciones importantes de la vida diaria, como el frenado y choque de automóviles.

Cada vez que se hace la demostración, funciona de distinto modo: puede ocurrir que el huevo se tire un montón de veces y resista hasta el final. Otras veces, quien lo tira lo hace, a la primera, directamente hacia al suelo o a la pared en un alarde de falta de puntería. Excepcionalmente, algún alumno tira el huevo, con exceso de celo, a una velocidad tan enorme que consigue romperlo contra la sábana. Sin embargo, si el huevo se rompe, casi siempre es debido a que cae al suelo por algún lado de la sábana.

Descripción de la demostraciónSubir

Los materiales necesarios son únicamente: una sábana o una toalla grande, un par de huevos, papel para limpiar, una pelota de tenis y una báscula de baño.

Dos alumnos sujetan la sábana casi vertical, con la parte inferior doblada hacia delante formando una pequeña bolsa, bien horizontal, para retener el huevo después de chocar. La inclinación de la sábana y la forma de la bolsa se prueban varias veces tirando una pelota de tenis desde unos 3 metros de distancia.

Es necesario que quien vaya a tirar el huevo lo haga de la forma correcta: con bastante velocidad, como si tirara una piedra. Además, no basta con tirarlo: tiene que ir a recogerlo rápidamente, ya que, después de chocar, puede ocurrir que el huevo no baje por el centro de la sábana, sino por los lados. También puede ocurrir que la "bolsa" no tenga la forma apropiada o que no esté horizontal. En estos casos, el huevo cae por un lado, con gran júbilo de los que observan sentados. Por ello, quien tira el huevo tiene que correr inmediatamente hacia la sábana para recogerlo en caso de apuro. Pruébelo unas cuantas veces y comprobará que tiene su emoción. Es relativamente fácil que un huevo se rompa. Por ello, es conveniente tener repuestos y, muy especialmente, es necesario que quien vaya a tirar el huevo se entrene previamente con la pelota de tenis.

Mientras se hace la demostración, con varios voluntarios tirando el huevo, se pide a los alumnos que hagan estimaciones razonables de:

La masa del huevo.

La velocidad con que se lanza el huevo.

Distancia necesaria para que el huevo adquiera esta velocidad (mientras se sujeta con la mano).

La distancia que recorre el huevo al frenar contra la sábana.

La masa del huevo se puede estimar en unos 100 g (con la "regla" de 10 huevos un kilo) o, si se quiere, se puede pesar. En la segunda estimación se trata de descartar valores imposibles del tipo "huevo lento" (10 m/seg) o "huevo proyectil" (100 m/seg). Si se compara con el lanzamiento de una piedra, una velocidad que parece razonable está comprendida entre 20 y 30 m/seg (en los cálculos siguientes se han considerado 25 m/seg). La estimación de la distancia de lanzamiento, a lo largo de la cual la mano acelera el huevo hasta esta velocidad, es de 1 m, aproximadamente. La distancia de frenado, cuando el huevo choca contra la sábana, se puede estimar en unos 20 cm. Vale la pena resaltar que estas estimaciones son valores razonables que nos permiten hacer cálculos aproximados y que lo que se busca es el orden de magnitud y no un valor exacto.

A partir de las estimaciones anteriores se puede hacer la representación gráfica velocidad-tiempo del movimiento del huevo desde que se lanza hasta que frena (figura 1). Si se considera que la aceleración es la pendiente y el desplazamiento el área en cada tramo de la gráfica, se pueden calcular las aceleraciones y los intervalos de tiempo correspondientes a cada fase del movimiento.

Figura 1

En la fase de lanzamiento se conocen el desplazamiento (1 m), la velocidad inicial (0) y la velocidad final (25 m/seg). La aceleración (supuesta uniforme) resulta de unos 310 m/seg2, y el tiempo que dura el lanzamiento, de 0,08 seg. El huevo a 25 m/seg frena en 0, 2 m al chocar contra la sábana. Si se supone que la aceleración de frenado es uniforme, su valor resulta 1560 m/seg2 y, el tiempo, 0,016 seg.

Si se considera la segunda ley de Newton (Fr= ma), la fuerza sobre el huevo es de unos 30 N al lanzarlo y de 150 N al chocar contra la sábana.

En los cálculos anteriores se ha supuesto que la aceleración del huevo al chocar contra la sábana era constante. Esta aproximación no es correcta ya que la fuerza es de tipo elástico o, por lo menos, la fuerza es mayor a medida que la sábana se deforma. Si se considera conveniente (con alumnos de bachillerato) se pueden hacer cálculos considerando que la fuerza es de tipo elástico; para ello se ha de aplicar el principio de conservación de la energía: el trabajo que hace la sábana al frenar el huevo es igual a la variación de energía cinética. Como se trata de una fuerza variable, su trabajo es el área bajo la gráfica fuerza-deformación. De acuerdo con las estimaciones anteriores, la energía cinética del huevo antes de chocar es (1/2 mv2) 31 J. Éste es el trabajo que la fuerza de la sábana hace para detenerlo, igual al área bajo la gráfica F-x. La máxima fuerza que hace la sábana sobre el huevo para detenerlo resulta 300 N (figura 2). Este valor es el doble del que se obtiene al considerar la fuerza constante.

Figura 2

Estas estimaciones nos indican que el huevo soporta una fuerza del orden de 300 N sin romperse, equivalente al peso de 30 kg que se colocaran encima.

Hay varias formas de verificar que la cáscara de un huevo, efectivamente, es capaz de soportar cargas muy grandes. Un método sencillo consiste en colocar un huevo encima de un trapo, doblado varias veces para tener un cierto grosor, sobre una báscula de baño. El huevo se coloca vertical y se aprieta por encima con otro trapo bien doblado. Se comprueba que se puede apretar hasta que la báscula marca más de 30 kg sin que el huevo se rompa. También se puede comprobar que si se entrelazan los dedos de las dos manos y se coloca el huevo con los extremos apoyados en las palmas de las manos, se puede apretar el huevo con una gran fuerza sin que se rompa.

Actividades complementariasSubir

Como complemento a la demostración se pueden proponer a los alumnos (cuarto de ESO o bachillerato) los ejercicios siguientes:

a) Una pelota de tenis se lanza con la mano, choca contra la pared y rebota. A partir de estimaciones razonables sobre masa, velocidad, distancia de frenado... hacer la representación gráfica velocidad-tiempo correspondiente al movimiento de la pelota desde que se lanza hasta que se recoge y calcular la fuerza sobre la pelota en el choque contra la pared.

b) Comparar la fuerza sobre un pasajero de 70 kg cuando un coche que va a 100 km/h frena normalmente recorriendo 50 m hasta detenerse, o frena al chocar contra un árbol en 0,8 m (la distancia que se deforma la parte delantera del coche).


Bibliografía:
• CORTEL, A. (1999): "Demostraciones en el aula. Explosiones a pequeña escala" en Alambique, n. 20, pp.105-115.
• EHRLICH R. (1990): Turning the world inside out. Princeton University Press. Princeton.
Autor: Adolf Cortel ( IES Pompeu Fabra acortel@pie.xtec.e )
Revista: Aula de Innovación Educativa (Número: 113)
Fecha de publicación: 8 / 2002 (España)
Fuente bibliográfica: Aula de Innovación Educativa
© 2002 Editorial Graó, de IRIF, S.L.
Código documento: 635169
Profr. José Adalberto Esparza López
Publicado el: 25.07.2009

                                                  



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