Disco sobre hielo
Un disco deslizándose sobre hielo con un control deslizante logarítmico de fricción que abarca tres décadas (μk = 0,0001 a 0,1) — desde el caso idealizado sin fricción, pasando por hielo real (disco de hockey), hasta hielo rugoso o desgastado, observa la inercia en acción.
Objetivo
Verificar la Primera Ley de Newton — un objeto en movimiento permanece en movimiento a velocidad constante a menos que una fuerza neta actúe sobre él. El control deslizante de fricción es logarítmico y abarca μk = 0,0001 (esencialmente sin fricción) hasta μk = 0,1 (hielo rugoso o desgastado). Con μk bajo el disco se desliza a velocidad casi constante durante los 30 s completos del límite de tiempo; a medida que μk se acerca a 0,1, el disco se desacelera según a = μk · g y se detiene a la distancia d = v₀² / (2 · μk · g). La simulación asume una superficie horizontal plana, disco como masa puntual y sin resistencia del aire.
Configuración
- Desliza Fricción (μk) hasta su mínimo (0,0001 — caso idealizado sin fricción) y fija la Velocidad Inicial en 10 m/s. Pulsa Iniciar — observa el disco deslizándose a velocidad esencialmente constante a través de todo el lienzo.
- Observa la lectura de Velocidad: debería permanecer en 10,00 m/s durante los 30 s completos de la ejecución. La simulación se detiene en el límite de tiempo porque la fricción es demasiado pequeña para detener el disco en 30 segundos.
- Pulsa Reiniciar. Fija μk en 0,01 (valor por defecto — disco de hockey típico sobre hielo) y la Velocidad Inicial en 10 m/s. Pulsa Iniciar. El disco se desacelera de manera visible; en 30 s la lectura de Distancia alcanza unos 256 m y la lectura de Velocidad cae a aproximadamente 7 m/s sin que el disco se detenga.
- Pulsa Reiniciar. Fija μk en 0,1 (máximo del control deslizante — hielo rugoso o desgastado) y la Velocidad Inicial en 10 m/s. Pulsa Iniciar. El disco se detiene tras unos 10 segundos a una Distancia de aproximadamente 51 m.
- Compara las lecturas de Distancia y Velocidad al final de cada ejecución para los tres valores de fricción (0,0001, 0,01, 0,1) — anótalas en un cuaderno entre ejecuciones para ver cómo tres órdenes de magnitud de fricción se traducen en comportamiento observable (Reiniciar borra el historial en pantalla).
Predicción analítica
Con μk = 0,1 (máximo del control deslizante), v₀ = 10 m/s y g = 9,8 m/s², la deceleración y la distancia de frenado son:
El disco se detiene tras recorrer aproximadamente 51,0 m, que la lectura de Distancia debería mostrar al detenerse (unos 10,2 s después del lanzamiento). Con μk = 0,01 (valor por defecto — hielo real) la deceleración es 0,098 m/s²: el disco necesitaría 510 m para detenerse, mucho más allá del límite de tiempo de 30 s, por lo que la lectura de Distancia alcanza unos 256 m cuando el límite se cumple y la lectura de Velocidad muestra unos 7 m/s. Con μk = 0,0001 (mínimo del control deslizante) la deceleración es 0,00098 m/s² — esencialmente cero — y la lectura de Velocidad se mantiene en 10,00 m/s durante los 30 s completos.
Análisis de resultados
Después de cada ejecución, compara las lecturas con la predicción analítica. Con μk = 0,1 el disco se detiene dentro de los 30 s y la lectura de Distancia debería mostrar aproximadamente 51,0 m (±0,5 m). Con μk = 0,01 el disco no se detiene dentro del límite de tiempo; la lectura de Distancia a t = 30 s debería mostrar unos 256 m y la lectura de Velocidad unos 7 m/s — la fricción está retirando energía pero la ejecución termina antes de que la velocidad llegue a cero. Con μk = 0,0001 la lectura de Velocidad se mantiene prácticamente en 10,00 m/s durante los 30 s completos, confirmando directamente la Primera Ley de Newton: la fuerza neta es despreciable, por lo que la velocidad apenas cambia. La lectura de Energía cinética refleja el cuadrado de la velocidad en cada caso.
Fuente de error
El modelo trata el disco como una masa puntual sobre una superficie perfectamente plana y rígida, sin resistencia del aire, sin resistencia de rodadura y sin inercia rotacional. Los discos reales sobre hielo experimentan un pequeño componente de arrastre viscoso y lubricación por fusión a presión que reduce μk por debajo del valor para superficies secas — esta simulación usa un único valor de μk como parámetro ajustable. La predicción analítica asume el mismo modelo de masa puntual con μk constante, por lo que ambos comparten idealizaciones idénticas y cualquier diferencia residual es puramente numérica.
Exploración adicional
- Fija μk en el mínimo del control deslizante (0,0001) y varía la Velocidad Inicial desde 1 hasta 20 m/s. ¿Cambia la lectura de Velocidad durante la ejecución? ¿Por qué la Primera Ley de Newton predice que no debería cambiar, independientemente del valor inicial?
- Recorre μk a través de tres décadas, desde 0,0001 hasta 0,1, manteniendo la Velocidad Inicial en 10 m/s. Anota la lectura de Distancia en t = 30 s (o al detenerse, lo que ocurra primero). ¿En qué μk el disco apenas alcanza a detenerse dentro del límite de tiempo?
- Fija μk en 0,1 (máximo) y compara la lectura de Distancia para v₀ = 5 m/s frente a v₀ = 10 m/s. La fórmula d = v₀² / (2 · μk · g) predice que la relación debería ser 1:4 — ¿concuerda la simulación?
- Con μk = 0,01, el disco recorre unos 256 m en 30 s pero no se detiene. Usa la ecuación cinemática d = v₀·t − ½·a·t² con a = μk·g para predecir la distancia, luego verifica con la lectura de Distancia. ¿Por qué este régimen (límite de tiempo largo, fricción finita) demuestra la inercia de forma más vívida que la detención con fricción alta?