Newton
02 Jan, 2013
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PRESENTATION: A number of identical metallic balls are hanging suspended by strings from a horizontal bar, and they are in contact arranged in a row. Different types of elastic collisions can be observed with this setup. The introduction of any soft material between two adjacent balls produces inelastic collisions. The mass effect may be studied by changing the size of one of the balls. A similar study may be performed using a row of coins placed on a glass surface.
- Edme Mariotte and Newton’s Cradle, Rod Cross, Phys. Teach. 50, 206 (2012)
- Happy Balls, Unhappy Balls, and Newton’s Cradle, David Kagan, Phys. Teach. 48, 152 (2010)
INTRODUCTION: In an isolated (closed) mechanical system containing many particles, in the absence of external forces the total linear moment is conserved if the forces exerted by the particles are parallel to the line linking them. In addition, the energy conservation law states that energy cannot be either created or destroyed, only changed from one type to another, as for instance when electric energy is converted to calorific energy by an electric heater.
OBJECTIVE: Verify the conservation of energy and linear momentum.
MATERIALS: small metallic spheres, string, a bar to act as a stand.
SETUP: Five spheres are suspended, each of them by two strings so that the balls are aligned horizontally and in mutual contact.
EXPLANATION: The movement is started by displacing one of the balls placed at one end of the row, elevating it to a certain height. When it falls the stored potential energy is converted to kinetic energy, and when it collides with the neighbouring ball this energy is transferred through the balls until the last one at the opposite end of the row, which ascends due to the effect of this transmitted kinetic energy, until all of it is transformed into potential energy, and the process starts again in the opposite sense. Eventually, the motion stops due to the effect of friction.
CONCEPTS: Conservation, kinetic energy, gravitational potential energy, linear momentum, elastic collisions, deformation, friction, Newton’s cradle.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- I. Newton, Principios Matemáticos, Editorial Altaya, 1997.
- W. Rankin, Newton para principiantes, Editorial Era Naciente, 2001.
STUDENTS 2012-2013: Cristina Rivas, Víctor Rodríguez, Antón Rodríguez, Miguel Rodríguez
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
8 responses to "Newton"
Hay un experimento que se puede considerar una variante del que vemos en esta entrada. Se trata de comprobar cómo con una cantidad muy pequeña de energía al inicio se puede desatar una reacción en cadena que libere cada vez más energía y que se transmite de un cuerpo a otro por choques elásticos. El experimento se hace con fichas de dominó puestas de pie y en fila, y cada una es 1,5 veces más grande que la anterior. En el experimento se observa como la energía liberada por una ficha de 5 mm de alto y 1 mm de grosor es capaz de tumbar una ficha (la última) de más de un metro de alto y 45 kg de peso. El “truco” está en que para poner de pie cada ficha invertimos energía que se almacena en la ficha como energía potencial, y como está de pie sólo hace falta un poco de energía para desequilibrar cada ficha para que la energía potencial se convierta en cinética y caiga.
Este experimento es bastante sencillo y de asimilar por los alumnos, en donde pueden observar directamente el principio de la conservación de la energía. Podemos completar un poco el experimento con una breve introducción histórica sobre el “péndulo o cuna de Newton”: el péndulo de Newton ha sido un juguete popular de escritorio desde su invención, nombrado y producido en 1967 por el actor inglés Simon Prebble.
En un principio se vendía una versión en madera por Harrods de Londres y luego se diseñó una versión cromada creada por el escultor y luego director de cine Richard Loncraine.
El péndulo de Newton más grande del mundo fue diseñado por Chris Boden y es propiedad de The Geek Group y se encuentra en Kalamazoo, Michigan. Se encuentra en exhibición pública y es utilizado para demostraciones tecnológicas y científicas; consiste en un conjunto de 20 esferas idénticas con un peso de 6,8 kilogramos (15 libras). Las esferas están suspendidas de cables de metal apuntalados al techo. Los cables poseen una longitud de 6,1 metros (20 pies) y las esferas cuelgan a 1 metro (3 pies) del suelo.
Una forma fantástica de entender y observar la conservación de la energía y el momento lineal. En el enlace se puede ver una simulación en la que se pueden cambiar varias de las variables del péndulo para ver como se comporta.
Además este experimento se puede relacionar también con el del cañón de Gauss, en el que al añadir un aporte energético provocado por la aceleración que produce la presencia de imanes conlleva una reacción en cadena.
Este mismo fenómeno puede observarse cuando jugamos a las canicas o al billar. En el caso del billar, cuando lanzamos la bola blanca hacia dos bolas contiguas, la más alejada saldrá disparada, mientras que la del medio apenas se moverá. Ocurre lo mismo, y seguro que todos lo hemos hecho alguna vez, colocando dos monedas seguidas, si lanzamos una tercera hacia ellas, la más alejada, de nuevo, saldrá disparada, mientras que la del medio no se moverá apenas. En el vídeo que adjunto ocurre algo que a los alumnos pueden resultarles muy curioso: Cuando se proyecta con una sola moneda, solo una de ellas es despedida; sin embargo, si lanzamos con dos, serán desplazadas dos del otro extremo. Podemos sugerirles que expliquen por qué ocurre así y si esto sucedería de manera infinita si seguimos añadiendo monedas y aumentando el número con las que disparamos.
Aquí dejo un vídeo donde explica como hacer este experimento en casa ya que la ciencia no solo tiene porque estar en las aulas. Además, me parece curioso porque también trata el tema del centro de masas.
En un sistema aislado (o conjunto de partículas) en el cual las fuerzas externas son cero, el momento lineal total se conserva. En el péndulo de Newton, con referencia de altura la línea que une las bolas, se produce una transmisión de la energía cinética de la/s bola/s desplazadas, ya que en el punto de choque la energía potencial es nula. La masa del sistema está formada por la suma de las masas de cada bola, que son iguales. Debido a la transmisión de energía cinética entre las bolas, la energía aportada por cierto número de bolas desplazadas a las que permanecen estáticas será la misma que recojan la/s bola/s que finalmente se eleven. Dado que el momento lineal (m x v) se conserva a falta de fuerzas externas y como el peso de las bolas es el mismo, el número de bolas inicialmente desplazadas será el mismo que el de las bolas elevadas en el extremo opuesto.
El péndulo de Newton es un dispositivo simple, pero que resulta muy atractivo. En la demostración se toma una de las bolas, se levanta y se deja caer, esta bola choca con la siguiente de la línea, transfiriendo su energía, esta transferencia se repite en la siguiente bola, así sucesivamente, hasta que la última bola acaba impulsada y separándose del grupo. Posteriormente vuelve y se replica el mismo proceso, pero en sentido inverso. De este modo se puede observar la conservación de la energía, aunque lentamente se irá disipando, provocando que el movimiento se acabe deteniendo. Podría usarse también una cámara termográfica, de esta forma se verá como con cada impacto se dispersa energía térmica.
El físico Jiao Tong, de la Universidad de Shanghái Zhen Feng y algunos compañeros han construido una versión cuántica del péndulo de Newton con partículas subatómicas, como los fotones y afirman que la física implicada podría ayudar a explicar una serie de procesos de la transferencia de energía poco conocidos en la naturaleza, como la fotosíntesis y la detección de olores… Echadle un vistazo.