Disco sobre hielo
Un disco deslizándose sobre una superficie con fricción ajustable — desde sin fricción hasta fricción alta, observa la inercia en acción mientras el disco mantiene o pierde velocidad.
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. Con coeficiente de fricción μk fijado en cero, el disco se desliza indefinidamente; al aumentar μk, la fricción cinética desacelera el disco según a = μk · g, y el disco 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
- Fija la Fricción (μk) en 0,00 y la Velocidad Inicial en 10 m/s. Pulsa Iniciar — observa el disco deslizándose a velocidad constante a través de todo el lienzo sin desacelerar.
- Observa la lectura de Velocidad: debería permanecer en 10,00 m/s durante toda la ejecución (inercia sin fricción). La simulación se detiene en t = 30 s mediante el límite de tiempo.
- Pulsa Reiniciar. Ahora fija la Fricción (μk) en 0,10 y la Velocidad Inicial en 10 m/s. Pulsa Iniciar y observa cuándo se detiene el disco — la lectura de Distancia debería alcanzar aproximadamente 51 m.
- Pulsa Reiniciar. Fija la Fricción (μk) en 0,50 y la Velocidad Inicial en 10 m/s. Pulsa Iniciar — el disco debería detenerse en aproximadamente 10,2 m, cerca de cinco veces antes.
- Anota las lecturas de Velocidad y Energía cinética en t = 1 s para cada uno de los tres valores de fricción (0,00, 0,10, 0,50) — regístralas en un cuaderno entre ejecuciones para comparar la rapidez con que la fricción retira la energía (Reiniciar borra el historial en pantalla).
Predicción analítica
Con μk = 0,10, 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. Con μk = 0,50 la deceleración es 4,9 m/s² y la distancia de frenado ≈ 10,2 m. Con μk = 0,00 la deceleración es exactamente cero — el disco nunca se detiene y la lectura de Velocidad se mantiene en 10,00 m/s hasta el límite de tiempo de 30 s.
Análisis de resultados
Después de cada ejecución, compara la lectura de Distancia al detenerse con la predicción analítica. Para μk = 0,10, la lectura de Distancia debería mostrar aproximadamente 51,0 m (±0,5 m). Para μk = 0,50 debería mostrar aproximadamente 10,2 m. La lectura de Velocidad debería alcanzar 0,00 cuando el disco se detiene. En la ejecución sin fricción (μk = 0), la Velocidad debería permanecer constante en el valor inicial durante los 30 s completos, confirmando directamente la Primera Ley de Newton — la fuerza neta es cero, por lo que la velocidad no puede cambiar. La lectura de Energía cinética refleja el cuadrado de la velocidad, cayendo a cero cuando el disco se detiene.
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 = 0 y varía la Velocidad Inicial desde 1 hasta 20 m/s. ¿Cambia la velocidad del disco durante la ejecución? ¿Por qué la Primera Ley de Newton predice que no debería cambiar, independientemente del valor inicial?
- Encuentra la Velocidad Inicial que hace que el disco recorra exactamente 20 m con μk = 0,20. Usa la fórmula d = v₀² / (2 · μk · g) para predecir la respuesta primero, luego verifica con la lectura de Distancia.
- Duplica el coeficiente de fricción de 0,10 a 0,20 manteniendo v₀ = 10 m/s. ¿Se reduce a la mitad la distancia de frenado? Usa la simulación para comprobar si se mantiene la relación d ∝ 1/μk.
- Fija μk = 0,50 y compara la lectura de Distancia para v₀ = 5 m/s versus v₀ = 10 m/s. La fórmula predice que la relación debería ser 1:4 — ¿concuerda la simulación?