Introducción

Aunque no nos demos cuenta, la física está por todas partes. En nuestro día a día cualquier acción que llevamos a cabo está gobernada por sus leyes. Si nos paramos a pensar con cuidado, es posible encontrar una gran cantidad de fenómenos en los que aparecen muchos de los conceptos que a veces resultan complicados de entender cuando son tratados desde un marco puramente teórico. El siguiente experimento virtual es prueba de ello. En él, un esquimal intenta sacar a la superficie una caja sumergida a una cierta profundidad sirviéndose de una cuerda y una polea. Se abordan desde un punto de vista físico el proceso de caminar, el empuje, la tensión de la cuerda, el trabajo realizado por el esquimal, la energía consumida para poder realizar el trabajo, el posible deslizamiento del esquimal (si no es capaz de seguir tirando de la caja en algún momento) y su caída al agua si el deslizamiento es el suficiente. Además, y para completar el problema, la energía que posea el esquimal para realizar trabajo procederá de los alimentos que ingiera, que le aportarán más energía cuanto más calóricos sean. Así, el problema propuesto permite englobar muchos aspectos de la mecánica y facilita su comprensión al ilustrarse de forma sencilla.

Descripción del Experimento Virtual

El experimento virtual ilustra la situación anterior. En primer lugar, aparece el esquimal sujetando la cuerda y con la barra de energía a cero. Para que sea capaz de comenzar a realizar trabajo con objeto de sacar la caja del agua, necesita alimentarse. Así, al ingerir un alimento, la barra de energía subirá más o menos en función de las calorías que le aporte el mismo. A continuación, si el esquimal aplica la fuerza necesaria y el coeficiente de rozamiento estático con la superficie es suficientemente alto, se iniciará el movimiento de avance y la caja comenzará a ascender. En caso contrario, no podrá avanzar y se quedará estático en su posición inicial. Una vez que se inicie el movimiento, la caja ascenderá siempre y cuando el balance de las fuerzas aplicadas sobre ella tenga resultante positiva (hacia arriba). En caso contrario, comenzará a descender hasta volver a la posición inicial. Esta misma situación se dará también en el caso de que el esquimal se quede sin energía para poder realizar trabajo. Así, en cualquier momento, la caja puede comenzar a descender. Una vez que alcance su posición inicial en el fondo del mar, el esquimal seguirá su movimiento hasta detenerse como consecuencia del rozamiento dinámico con la superficie. Cuando se detenga, será posible que vuelva a comer, lo que le permitirá volver a iniciar el proceso desde la posición en la que se encuentre. Puede darse el caso de que el esquimal no frene antes de llegar al borde del iceberg, por lo que tropezará con la base de la polea y caerá al mar. 

Aproximaciones del Modelo

Para poder resolver el problema descrito se elabora un modelo lo más realista posible, pero que cuenta con muchas aproximaciones. Las suposiciones más importantes son: se considera movimiento unidimensional; el esquimal obtiene energía de los alimentos y la emplea exclusivamente para desarrollar trabajo sobre la caja para poder saca rla del agua (se desprecia la energía necesaria para mantener las funciones metabólicas); la masa de la cuerda y de la polea son despreciables; en todo caso se toma como nulo el rozamiento con el aire y el agua (en el caso de la caja); la interfaz aire – agua se considera rectilínea y homogénea a lo largo de toda la superficie del mar; y no se consideran movimientos internos en el agua; se desprecia el efecto de la tensión superficial del agua. Por otra parte, se limita el modelo para que el esquimal no pueda volver a ejercer fuerza una vez comience a deslizarse, por lo que, al comenzar el movimiento de bajada, continuará hasta que la caja toque el suelo. Además, cuando el esquimal coma, tomará las cantidades oportunas de cada alimento para que se rellene un cuarto, un medio, tres cuartos y la barra entera en el caso de la zanahoria, los plátanos, la galleta de chocolate y la hamburguesa respectivamente.

¿Cómo Funciona el Experimento Virtual?

La caracterización de la situación física viene dada en función de una serie de parámetros de entrada:

• Fuerza: es la fuerza con la que el esquimal tira de la caja hacia arriba. Viene dada en Newtons.

• Roz. Estático: es el rozamiento estático con la superficie. Es una cantidad adimensional.

• Roz. Dinámico: es el rozamiento dinámico que aparece cuando el esquimal comienza a deslizarse por no poder soportar el peso de la caja. Es adimensional.

Además, aparecen cuatro botones correspondientes a los alimentos que puede tomar el esquimal antes de iniciar el movimiento o, si no ha podido subir la caja, en el punto en el que se haya detenido tras deslizarse (siempre que no caiga al mar). Se muestran las calorías por cada 100 gramos de alimento, aunque, como se explicó anteriormente, el esquimal sólo ingiere la cantidad necesaria para que se rellene un cuarto, la mitad, tres cuartos o la barra completa, según sea más calórico el alimento en cuestión.

Los datos de salida correspondientes a los datos de entrada anteriores son:

• Velocidad: es la velocidad del esquimal en cada momento. Coincide con la de la caja siempre y cuando ésta no haya llegado al fondo del mar, momento en el que el esquimal sigue deslizándose. Se expresa en m/s.

• Posición: es la posición respecto al punto inicial en la que se encuentra el esquimal. Viene dada en metros.

Recomendaciones

Se sugieren algunos parámetros de entrada para la simulación para poder tener un variado conjunto de casos:

1. El esquimal es capaz de subir la caja hasta arriba del todo: Fuerza = 300, Roz. Estático = 0.52, Roz Dinámico = cualquier valor, Alimento = Hamburguesa.

2. El esquimal no es capaz de empezar el movimiento: Fuerza = 300, Roz. Estático = 0.5, Roz Dinámico = cualquier valor, Alimento = Hamburguesa.

3. La caja comienza a ascender, pero vuelve a bajar y el esquimal no cae: Fuerza = 275, Roz. Estático = 0.52, Roz Dinámico = 0.14, Alimento = Galleta.

4. La caja comienza a ascender, pero vuelve a bajar y el esquimal cae al agua: Fuerza=300, Roz. Estático=0.52, Roz. Dinámico= 0.05, Alimento = zanahoria.

Applet

Cuestiones

¿Cuáles son las fuerzas a considerar a lo largo del experimento virtual?

¿Qué fuerzas entran en juego cuando el esquimal camina? ¿Qué tipo de rozamiento es
el que se aplica?

¿Qué sucede cuando el esquimal comienza a deslizarse?

En el caso de que el esquimal no pudiera comenzar el movimiento, ¿cuáles serían las
posibles razones?

Suponiendo que el esquimal tiene la energía suficiente para realizar todo el trabajo que
sea necesario y que el coeficiente de rozamiento con el suelo es el adecuado para comenzar el movimiento, ¿en qué puntos podría no ser capaz de seguir haciendo que la
caja ascendiera?

¿Qué efecto tiene la cuerda y la tensión que soporta en el problema?

¿Cómo será el movimiento de ascensión en función del medio en el que se encuentre la
caja?

Si las hamburguesas aportan tantas calorías y permiten al esquimal obtener la energía
suficiente para rellenar su barra de energía, ¿por qué son comida basura?