Movimiento curvilíneo pendular.Péndulo
La física clasifica los movimientos por su trayectoria:
a.-Rectilíneo: Se realiza en una única dirección.
-Uniforme: la velocidad es constante, su aceleración es nula.
-Acelerado: aceleración constante, es decir que la velocidad aumenta o disminuye.
b.-Curvilíneo:
-Pendular: puede ser simple, de torsión o físico.
-Circular: con eje de giro y radio constante. La trayectoria del movimiento dibuja una circunferencia.
-Parabólico: la trayectoria del objeto dibuja una parábola
Es un dispositivo que demuestra la conservación de la energía y de la cantidad de movimiento.
Péndulo de Newton es un juguete compuesto por cinco bolas idénticas cada una de ellas cuelga de un bastidor por un par de hilos de igual longitud, de manera que todas ellas están en contacto y alineadas.
Para realizar nuestro experimento necesitamos un péndulo simple. Si separamos nuestro péndulo de su posición de equilibrio y lo dejamos oscilar vemos que la amplitud de la semioscilación al otro lado es aproximadamente igual al desplazamiento inicial y que la bola casi recupera la misma altura inicial.
Si introducimos una clavo en el camino que recorre el hilo vemos que el péndulo queda interrumpido y que la amplitud de la semioscilación es mucho menor pero la bolita recupera la altura inicial.
Explicación
Al separar la bolita de su posición de equilibrio y dejarla en libertad, vemos que se mueve hacia su posición de equilibrio, transformando la energía potencial inicial en energía cinética (pierde altura y gana velocidad). Al llegar a la posición de equilibrio, el punto más bajo, toda su energía potencial se transformó en energía cinética. Luego la bolita se desplaza hacia la derecha de la posición de equilibrio, perdiendo energía cinética y ganando energía potencial (pierde velocidad y gana altura).
Por conservación de la energía mecánica, la energía potencial final a la derecha de la posición de equilibrio es igual a la energía potencial inicial, y la bolita llega casi hasta la misma altura de partida. Colocar un clavo modifica la trayectoria de la bolita pero no afecta a la conservación de la energía del péndulo y la bolita recupera la altura inicial.
Con un trozo de hilo, una bola de corcho o de plástico y un cáncamo podemos construir un péndulo. Necesitamos dos péndulos de igual longitud para estudiar las colisiones.
El primer péndulo (el proyectil) se eleva una cierta altura, se suelta y golpea al segundo péndulo (el blanco) que se encuentra en reposo en el punto más bajo. Si utilizamos bolas de corcho o de ping pong podemos suponer que se trata de una colisión elástica y que se conserva la energía cinética y la cantidad de movimiento (el producto de la masa por la velocidad).
Se pueden estudiar varios casos dependiendo de las masas de los dos péndulos:
1) Si las masas son iguales el primer péndulo queda en reposo y el segundo asciende alcanzando la misma altura que tenía inicialmente el proyectil.
2) Si la masa del proyectil es mayor que la del blanco las dos masas ascienden del mismo lado.
3) Si la masa del proyectil es menor que la del blanco el proyectil retrocede después de la colisión y el blanco asciende.
Al ser una colisión el resultado de fuerzas internas siempre se conserva la cantidad de movimiento pero la energía cinética suele disiparse parcialmente. En una colisión elástica se conserva la energía cinética y en una colisión inelástica se disipa parte de la energía.
Sustituyendo uno de los péndulos por una bolsa de arena tenemos un ejemplo de colisión inelástica. Después de la colisión el proyectil queda en reposo y la bolsa de arena apenas se mueve. Al colisionar el péndulo con la bolsa los granos de arena se mueven, chocan unos contra otros y disipan la energía por fricción. La energía cinética se transforma en calor por fricción.
Sincronizar dos péndulos
Para realizar nuestro experimento necesitamos dos péndulos que podemos hacer con un par de tuercas y un trozo de hilo. La idea del experimento es colgar dos péndulos de una tira de cartón ligero que pueda oscilar libremente. Los dos péndulos están separados unos 15 cm y pueden oscilar sin tocar el suelo. En el vídeo podemos ver el montaje con un par de cajas de cartón y dos palitos.
Cuando las dos tuercas están en reposo se separa una de ellas de su posición de equilibrio y se la deja oscilar libremente. La oscilación del primer péndulo produce unas vibraciones que se transmiten por la tira de cartón al segundo péndulo que comienza a oscilar. El acoplamiento de los dos péndulos a través de la tira de cartón produce la sincronización. Ambos péndulos terminan haciendo el mismo recorrido de ida y vuelta en el mismo tiempo con la misma frecuencia. El cartón oscilante permite la transmisión del movimiento y de la energía entre los péndulos.
La longitud de los péndulos determina el tiempo que tarda en dar una oscilación completa (período del movimiento). Si aumenta la longitud del hilo aumenta el período y el péndulo tarda más tiempo en su recorrido de ida y vuelta.