Estabilidad
07 mar, 2012
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PDFTorre de Pisa
PRESENTACIÓN: Un modelo de la Torre de Pisa mantiene su equilibrio estable siempre que su centro de gravedad permanezca en la vertical de su base de apoyo. Si el centro de masa se desplaza fuera de esa vertical el sistema se convierte en inestable.
- Stability and that pesky center-of-mass, Sean M. Cordry, Phys. Teach. 35, 300 (1997)
- Stability of a pile of meter sticks, Robert Ehrlich, Phys. Teach. 23, 489 (1985)
8 responses to "Estabilidad"
Con este sencillo experimento, en el que se construye una torre de cartón y palitos de madera, podemos saber la inclinación máxima que puede soportar una torre. La torre inclinada permanece en equilibrio sin caer siempre que la vertical de su centro de gravedad caiga dentro de la base de la torre. El centro de gravedad se localiza en el centro geométrico de la torre inclinada, el hilo con la tuerca nos indica donde se encuentra este centro.
La Torre de Pisa es un claro ejemplo de cómo se combinan y juegan las diferentes fuerzas que actúan sobre un cuerpo, el centro de gravedad y de masas del mismo y su área de contacto. Para que un cuerpo esté en equilibrio, la suma de las fuerzas y de momentos que actúan sobre él deben sumar cero por separado. El mismo objeto, si se coloca sobre una superficie sólida, perderá su equilibrio si la fuerza de contacto que ejerce la superficie sobre él, deja de pasar por el centro de gravedad del objeto.
Estos principios podemos encontrarlos reflejados en la naturaleza; así, se observa que a lo largo de la evolución los animales han ido adoptando posturas cada vez más inestables a cambio de conseguir mayor velocidad. Este equilibrio requiere un gran control neuromuscular para que cuando la posición del centro de gravedad cambie, se hagan ajustes en los músculos del cuerpo de manera que el centro de gravedad vuelva al centro del área de sustentación. En este aspecto, los humanos somos un claro ejemplo de postura inestable, los diversos dolores de espalda que se llegan a padecer son un claro ejemplo de ello.
Existen dos objetos muy sencillos con los que podemos llevar a cabo una demostración de estos dos tipos de equilibrio en el aula.
En el caso del equilibrio inestable (aquel cuyo centro de gravedad está por encima del punto de suspensión) podríamos utilizar de ejemplo un simple botellero de madera (como este). Éste se mantiene en equilibrio con la botella debido a que el centro de gravedad del conjunto está alineado con el centro de la madera. Pero cómo es inestable, debemos tener mucho cuidado de no alterarlo pues se puede caer.
En el caso del equilibrio estable (el centro de gravedad está más bajo que el punto de apoyo) podríamos utilizar un pájaro en equilibrio. Al tratarse de un equilibrio estable, podemos mover el pájaro sin que se caiga pues éste tiende a reequilibrarse.
Son dos actividades muy sencillas pero que resultan altamente llamativas para los niños de primaria.
En el campo de la ingeniería de costas y puertos se utilizan modelos físicos (simulaciones en tanques de oleaje) y numéricos (simulaciones de ordenador) para el diseño de obras marítimas y portuarias.
Estos modelos se suelen utilizar para realizar ensayos de estabilidad. En dichos ensayos suele observarse el comportamiento de la estructura del dique y el desplazamiento de los diferentes elementos constructivos frente a la acción del oleaje característico de la zona.
De esta manera, antes de construir el dique de un puerto, se verifica que cumpla con las especificaciones de diseño que garanticen su vida útil para el periodo de retorno para el que se ha diseñado.
En el siguiente video se muestra un diseño de bloques patentado para la construcción de diques cuya comercialización necesito de ensayos previos de estabilidad.
Actualmente, es bastante conocido el juego “Jenga”, en el que, a partir de una torre de listones superpuestos, hay que ir sacándolos de la base y colocándolos en la parte superior sin que la torre se desmorone. Este juego da pie a estudiar la estabilidad de las estructuras, la situación del centro de gravedad, etc. que se podría utilizar perfectamente en el aula. Así mismo, existen muchas otras actividades sencillas para estudiar estos conceptos, como las que se presenten en este programa (hasta el minuto 15 aproximadamente).
Por otra parte, me ha llamado la atención este blog para fisioterapeutas donde se hace referencia a la estabilidad de la torre de Pisa mostrada en esta publicación, y explican la diferencia entre conceptos como peso y masa, centro de gravedad y centro de masas o estabilidad y equilibrio. Muy curioso el vídeo que se muestra al final del blog donde se explica por qué hoy en día el salto de altura en atletismo se realiza de espaldas.
Calquera obxecto manterase en pe mentres que a liña trazada dende o centro de gravidade e chan caia dentro da súa base.
Con este experimento do exploratorium o centro de gravidade de cada bloque descansa sobre o borde do bloque de abaixo. É un experimento moi visual para facer en clase e non require practicamente material nin ferramentas.
En lo particular creo que los conceptos de física se asimilan mejor cuando los percibimos en nuestro cuerpo. En este caso podríamos usar una pesa y que los alumnos, de pie, la tomaran desde su pecho y con ella en las manos realizaran una extensión horizontal de brazos. En este gesto progresivo notarían como el centro de masas del conjunto pesa+alumno se desplaza hacia delante gracias a percibir una mayor presión sobre la parte delantera de sus pies que tratan de guardar el equilibrio.
Resultan muy llamativas las imágenes de la torre de Pisa y eso que solo tiene una inclinación de 4º. Para mi fue impresionante la primera vez que vi las torres Kio de Madrid con una inclinación de 14,3º y una altura de 114 m que fueron los primeros rascacielos inclinados del mundo. Os dejo un vídeo de su construcción.