Las rampas

Semana 4

Video 1

Ramps Introduction

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¡Hola! Soy Lou Bloomfield, y te doy la bienvenida a 'Cómo funcionan las cosas' en la Universidad de Virginia. El tema de hoy: las rampas. Las rampas se han usado para subir objetos pesados desde mucho antes de que se construyesen las grandes pirámides. Cuando algo es demasiado pesado como para subirlo directamente, la solución más sencilla a menudo es usar una rampa. Si la inclinación de la rampa es lo suficientemente suave, y tienes ruedas o algo así para mantener a raya la fricción, puedes levantar casi cualquier cosa desde aquí hasta acá. Usas rampas sin siquiera pensarlo. Cada vez que conduces o vas en bicicleta colina arriba, estás utilizando una rampa para elevarte hasta la cima. Considera la alternativa: ir verticalmente por la pared un acantilado para alcanzar esa cima. No todo el mundo puede hacer eso. Las rampas son igualmente útiles para bajar cosas tanto como para subirlas. Supongamos, por ejemplo, que tienes un piano en un alféizar y quieres bajarlo al suelo. Podrías tirarlo por el alféizar y llegará al suelo, pero tras eso, no deberías esperar que esté muy afinado. Sería mucho mejor si bajases ese piano con mucha más delicadeza, con mucho más cuidado, bajándolo por una rampa. Las rampas, que también se conocen como planos inclinados, son una de las seis máquinas simples. Las otras son: las palancas, las ruedas, las poleas, las cuñas, y los tornillos. Sin embargo, cuando hable sobre las rampas, estaré sentando la bases físicas para todas las máquinas simples. Esto es, que te permiten cambiar la magnitud y/o la dirección de la fuerza que estés utilizando para hacer algo. Eso de 'hacer algo' tiene una importancia especial en la física, porque a menudo tiene que ver con la transferencia de una cantidad física importante: la energía. El término energía es conocido, pero la gente lo utiliza para describir una amplia variedad de conceptos, y solo algunos comprenden la cantidad física. Uno de mis objetivos en este episodio, es explicar qué quieren decir los físicos cuando hablan de la energía. Por el momento, puedes pensar en la energía como en la capacidad para hacer cosas. Es decir, cuanto más energía tenga un objeto, más cosas puede hacer. Teniendo esto en cuenta, volvamos a las rampas, y quiero hacerte una pregunta y que pienses en ella. No voy a pedirte que la contestes todavía. Pero deberías tenerla en mente mientras seguimos examinando cómo funcionan las cosas. Como referencia, las rampas pueden ser de muchas formas y tamaños. Hay rampas que son largas, y hay rampas que son cortas. Hay rampas que son suaves, y hay rampas que son empinadas. Teniendo eso en cuenta, aquí tienes la pregunta: ¿Cuándo esta carretilla tiene la mayor energía? Es decir, la mayor capacidad de hacer cosas. ¿Cuando se encuentra al pie de una rampa larga? ¿o en la cima de una rampa larga? ¿al pie de una rampa empinada? Digamos ahora que la rampa acaba por aquí de modo que no es larga, sino empinada. Así que, ¿al pie de una rampa empinada o en la cima de una rampa empinada? ... Como guía, trataremos de responder cinco cómos y por qués. ¿Por qué una carretilla no se cae a través de una acera? ¿Por qué la acera aguanta perfectamente el peso de la carretilla? ¿Cómo se mueve una carretilla cuando la dejas bajar una rampa, rodando libremente? ¿Por qué es más agotador subir una carretilla que bajarla? ¿Por qué es más fácil empujar una carretilla cuesta arriba una rampa que subirla por una escalera? Hay un vídeo para cada una de esas preguntas, y un video resumen al final del episodio. Y ahora, vamos con la primera pregunta.

Video 2

Why Doesn't a Wagon Fall Through a Sidewalk?

¿Por qué la carretilla no atraviesa la acera? La respuesta es que la acera empuja la carretilla hacia arriba impidiendo que los dos objetos ocupen el mismo espacio a la vez. La acera ejerce lo que se conoce como fuerza de soporte sobre la carretilla. Las fuerzas de soporte aparecen cuando dos superficies intentan ocupar un mismo espacio. Mis manos, por ejemplo, cuando las presiono juntas, intentando hacer que se superpongan, los átomos, las moléculas, y materiales que forman mis manos, empiezan a empujarse entre sí. Las fuerzas de soporte actúan perpendicularmente a la superficie. Algo perpendicular es a un ángulo recto. Esta vara es perpendicular a la superficie de este libro, lo cual quiere decir que forma ángulos rectos en todas la direcciones. Y de hecho, la vara experimenta una fuerza de soporte cuando la presiono contra el libro. Estoy intentando hacer que los dos ocupen el mismo espacio y no les gusta. El libro empuja hacia fuera con una fuerza de soporte sobre la vara. Y la vara te está mostrando la dirección de la fuerza de soporte del libro. Hay otra clase de fuerza que actúa sobre la superficie. Esa clase de fuerza se conoce como la fuerza de fricción. Vamos a dejar las fuerzas de fricción para el episodio de ruedas. Por el momento, vamos a ignorar las fuerzas de fricción y estudiaremos únicamente las fuerzas de soporte. Volviendo a la carretilla, la acera empuja la carretilla perpendicularmente a su superficie. Y dado que la superficie de la acera es horizontal, su fuerza de soporte sobre la carretilla es vertical. Esa fuerza hacia arriba neutraliza la del peso de la carretilla hacia abajo, haciendo que la carretilla sea inercial e inmóvil. Eso nos hace preguntar: Si presiono sobre un balón, ¿cuál es la dirección de la fuerza de soporte del balón sobre mi dedo? Donde quiera que toque el balón, el balón empuja mi dedo con una fuerza de soporte que es perpendicular a esa zona de la superficie del balón. Y esa dirección perpendicular, que te estoy mostrando usando esta vara en vez de mi dedo, esa dirección perpendicular va del centro del balón al lugar en la superficie que la vara está tocando. Y estoy continuando esa línea con el resto de la vara. Puedes ver la dirección de la fuerza de soporte que el balón ejerce sobre la vara cuando las dos cosas intentan penetrarse en el espacio. La carretilla y la acera se empujan claramente entre sí con fuerzas de soporte, pero ¿cuál empuja sobre la otra con mas fuerza? La respuesta a esa pregunta es sorprendentemente sencilla. Se empujan entre sí con fuerzas iguales, en direcciones perfectamente opuestas. Es un ejemplo de lo que se conoce como la tercera ley del movimiento de Newton. La tercera ley del movimiento de Newton es una observación acerca de nuestro universo, que dice que cuando un objeto empuja un segundo objeto, el segundo objeto devuelve ese empuje al primer objeto con una fuerza de igual intensidad, pero de dirección contraria cada vez. Si presiono un dedo contra otro dedo, el segundo dedo a su vez, presiona sobre el primer dedo con una fuerza igual, en dirección contraria, no importa lo que haga. En el caso de la carretilla sobre la acera, la acera empuja hacia arriba contra la carretilla para apoyarla e impedir que se caiga a través de la acera, pero a la misma vez, la carretilla está empujando hacia abajo contra la acera con una fuerza igual, en precisamente la dirección contraria. La tercera ley del movimiento de Newton, que a menudo se simplifica como 'por cada acción, hay una reacción igual pero contraria', es fácil de enunciar pero no tan simple de entender. Para mostrarte todas las repercusiones la tercera ley del movimiento de Newton, necesito ayuda, y un poco mas de espacio. Salgamos y veamos cómo funciona la tercera ley de Newton. Para mostrarte cuán general es la tercera ley de Newton, he reclutado a Arris y a Ryan como ayudantes. Se van a empujar una contra el otro usando estas balanzas de resorte. La balanza de Arris te va a mostrar con cuánta fuerza está empujando contra Ryan, y la de Ryan va a mostrar con cuánta fuerza él está empujando contra Arris. El objetivo, chicos, es empujar el uno contra el otro de maneras distintas para ver si pueden lograr que una de las balanzas muestre algo distinto que la otra. Si lo logran habrán violado la tercera ley de Newton y podremos ganar un Premio Novel. Desafortunadamente no lo vamos a ganar, vean. Inténtelo. Pueden hacerlo mejor. Vamos, siempre marcan lo mismo las dos balanzas. El secreto es que el universo es amañado contra ellos. No pueden lograrlo por más que se esfuercen. Eso es en la horizontal. Un fracaso total. No lo pueden hacer, ¿verdad? Ahora, intentémoslo en la vertical. Arriba y abajo. 70 y 70, 50 y 50. No pueden vencer al sistema. El universo exige que cualquiera sea la fuerza que Arris ejerza sobre Ryan, Ryan ejercerá la misma fuerza sobre Arris en dirección contraria. Gracias. La tercera ley de Newton funciona, no sólo cuando las personas están quietas, también funciona si se están moviendo. Y esto no es muy intuitivo. Pareciera que si empujas algo que se mueve hacia ti, tú no lo empujas de la misma manera en que el objeto te empuja a ti. O si se está alejando de ti, no lo empujas de la misma manera que te empuja a ti. El secreto, sin embargo, es que sí, estás empujando con la misma fuerza con la que el objeto te está empujando a ti. No puedes burlar la tercera ley de Newton. Y te lo voy a demostrar, con Arris en una carretilla y Ryan empujándola, intentando que vaya mas rápido o más lento. No va a funcionar. Empujan con fuerzas iguales. Aquí está Arris. Prepárate para empujarle a Ryan. Así que, da igual que Arris se esté moviendo y Ryan la esté empujando hacia adelante. Todavía se empujan el uno al otro con la misma fuerza. Ahora, hacia atrás. Vamos. Y pasa lo mismo. Qué bueno tener una carretilla. Ryan, ¿qué pasa si en lugar de empujarla en esa dirección vienes adelante y la empujas hacia atrás. Tienen que girar las balanzas. Así. ¿Listos? Ahora Ryan está luchando conmigo. Haciendo que me sea mas difícil. Tengo que esforzarme más. Y todavía se empujan el uno al otro con fuerzas iguales. Ahora, de hecho, Ryan puede hacer que Arris acelere. Dejaré de empujar, y todavía se empujan con fuerzas iguales. Podrían suceder toda clase de accidentes. Pero de una forma u otra, la dos fuerzas en el par de la tercera ley de Newton siempre tienen intensidades de fuerza iguales en direcciones contrarias. Espero que haberte convencido de ello. Supongamos que empujas un autobús que pasa, con la fuerza de cinco newtons ¿Qué fuerza ejerce el autobús sobre ti en respuesta. Sin importar lo que esté haciendo el autobús, siempre ejercerá una fuerza igual pero contraria sobre ti. Si lo empujas con una fuerza de 5 newtons, ejercerá una fuerza de 5 newtons sobre ti en la dirección contraria a tu fuerza, concretamente, hacia ti. Evidentemente, la carretilla y la acera se empujan entre sí con. La acera ejerce una fuerza de soporte hacia arriba sobre la carretilla, y la carretilla devuelve ese empuje a la acera exactamente con la misma intensidad, con una fuerza de soporte hacia abajo. La carretilla está inmóvil, quiere decir que es inercial. No se acelera en absoluto. La fuerza neta sobre ella debe ser igual a cero. Sabemos que tiene un peso, y sin embargo, no está cayendo. La fuerza de soporte de la acera sobre la carretilla debe neutralizar exactamente el peso de la carretilla. Y eso es lo que hace. La acera aguanta perfectamente el peso de la carretilla. Antes de examinar por qué la acera elige precisamente esa intensidad de fuerza para ejercer sobre la carretilla, veamos una vez más la tercera ley de Newton, y fijémonos que hasta el momento, solo he hablado de tres fuerzas. La fuerza hacia abajo de la carretilla sobre la acera, la fuerza hacia arriba de la acera sobre la carretilla, y el peso hacia abajo de la carretilla. Tres fuerzas. Es un número impar. Y la tercera ley de Newton dice que por cada fuerza, hay otra fuerza cercana, igual pero contraria. Abordaremos lo de 'cercana' en el próximo vídeo. Nos falta una fuerza. Y la fuerza que falta es la atracción gravitatoria de la carretilla sobre la tierra. Acuérdate de que el peso de la carretilla es la atracción gravitatoria de la tierra sobre la carretilla. Y mira, la carretilla ejerce una fuerza igual pero en la dirección contraria, una fuerza gravitatoria que ejerce sobre la tierra. Esa es la cuarta fuerza que nos faltaba y ahora tenemos dos pares de fuerzas de la tercera ley de Newton. Un par es la fuerza de la carretilla sobre la acera y la fuerza de la acera sobre la carretilla. El otro par es la fuerza gravitatoria de la tierra sobre la carretilla y la fuerza gravitatoria de la carretilla sobre la tierra. Suficiente de cómo la carretilla y la acera se empujan entre sí. En el próximo vídeo veremos por qué la acera elige empujar sobre la carretilla con exactamente la fuerza suficiente para sostener el peso de la carretilla. ..

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