Experimentos (V): El movimiento de los satélites

 En esta actividad aprovechamos la forma del interior de un globo infladopara explicar, entre otros efectos, el giro de los satélites alrededor de la Tierra.

Materiales:

• Un globo, a poder ser, semi-transparente
• Monedas de distintos valores
• Otros objetos que puedan rodar

Preparación:

Se introduce un moneda en el globo, se infla y se anuda el extremo. Es conveniente empezar por una moneda con el borde liso, que rodará con mucha suavidad. Se hace girar el globo hasta que se consigue que la moneda ruede en una trayectoria circular por dentro del globo. La moneda seguirá girando por sí misma durante unos segundos sin necesidad de seguir moviendo el globo. Para ilustrar el procedimiento, hemos tomado prestada esta animación de Steve Spangler Science.

Explicación:

Con este experimento se pueden ilustrar distintos conceptos de la física:

1. El movimiento de los satélites.

Dice la 1º ley de Newton que "Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él". Es decir, si aplicamos una fuerza inicial a la moneda, y la dejamos libre, esta seguirá una trayectoria recta. En este caso se mueve en círculos, luego debe haber una fuerza que la sujete en esos círculos. En nuestro experimento esa fuerza la ejerce el globo, que sujeta a la moneda en su interior. Pero ¿qué pasaría si no pudiéramos ver el globo, pero aún viéramos que la moneda se mueve en círculos? Eso es lo que les sucede a los satélites, como nuestra Luna. Vemos que se mmueve en círculos y tenemos que suponer que existe una fuerza que la sujeta para que no escape de ese círculo. Esa fuerza no es otra que la Gravedad.

Imagen de The Naked Scientist

2. Rozamiento

Una moneda al rodar no es detenida por el rozamiento con el suelo, al contrario, nos conviene que la superficie del suelo tenga cierto agarre para que la moneda gire sin deslizamiento. Todos estamos famliarizados con el hecho de que una rueda o pelota que rueda por el suelo llega mucho más lejos que un objeto que tuviera que avanzar patinando sobre el suelo. La moneda dentro del globo solo encuentra dos fuerzas que la intentan frenar: el rozamiento con el aire, y la adherencia con el globo. La adherencia no es lo mismo que el rozamiento. El rozamiento se opone al deslizamiento, la adherencia pega y despega el canto de la moneda con la goma del globo a medida que avanza. Ambas fuerzas son muy débiles, por eso la moneda sigue girando un rato después de que hayamos dejado de empujarla.


Pero la fuerza de adherencia se puede aumentar, probando con monedas de distintos materiales o con los bordes distintos. No sufrirá el mismo frenado una moneda de 5 céntimos (de borde liso) que una de 10 céntimos (de borde estriado) esta última tiene una mayor adherencia con la goma y se frenará más rápidamente.

3. El sonido como vibración

Aprovechando que disponemos de varias monedas distintas, podemos observar que el sonido que emiten al girar es distinto. Varía de una moneda a otra y varía también con la velocidad de giro. El sonido se genera como una vibración de la moneda sobre el globo, y de éste sobre el aire, que lo transmite hasta nuestros tímpanos. Al girar más rápido, la frecuencia de la vibración se hace más rápida y con ella el sonido más agudo. Al usar monedas estriadas, la vibración es más fuerte, y con frecuencias muy rápidas, por lo tanto hará un sonido agudo y de mayor volumen. Se puede probar con otros objetos para obtener otros sonidos.

Imagen de The Naked Scientist

4. ¿Por qué no se caen las bicicletas?

Si dejamos una bicicleta parada...se cae. Pero mientras está andando ¡se mantiene en equilibrio! Esto sucede porque el giro de las ruedas da estabilidad al movimiento. Cuando un objeto gira adquiere un cierto "momento de inercia". De este modo, en ausencia de fuerzas externas, un objeto que gira tiende a mantener fijo su eje de giro. Así, una bicicleta en movimiento no se cae porque para caerse los ejes de giro de sus ruedas deberían inclinarse hacia un lado.


Del mismo modo, el giro de la moneda sobre sí misma da estabilidad a su avance por el globo, y evita que cabecee y acabe cayéndose de lado, cosa que hace sólo cuando se frena. Pero hay una forma más espectacular de comprobarlo. Si, una vez establecido el giro, se inclina el globo en distintas direcciones se observará cómo la moneda sigue dando vueltas en el mismo plano. Es decir, si hemos hecho que la moneda gire paralela a una pared de la habitación, al inclinar o girar suavemente el globo, la moneda seguira girando paralela a la pared de la habitación, como si no notara que el globo se ha movido