¡Si cambias a una marcha más ligera en una cuesta, eres un físico! La bicicleta y el principio del trabajo
Soy Ken Kuwako, Entrenador de Ciencias. Cada día es un experimento.
Una cuesta empinada que te deja sin aliento. Justo cuando estás a punto de rendirte y piensas: “No puedo más…”, ¡haces “clic” con la palanca izquierda! De repente, el peso desesperante del pedal de hace un momento desaparece como por arte de magia. Seguro que todos ustedes han vivido esa experiencia de ser salvados por esta “magia”, ¿verdad?
Pero, ¿no les parece curioso? El pedal se vuelve muy ligero, pero ahora hay que pedalear muchísimas veces para avanzar… Por el contrario, cuando cambias a una “marcha pesada” en un camino plano, el pedal está duro, pero cada pedaleada te impulsa con fuerza.
Esta diferencia no es solo una sensación, sino que se explica perfectamente con una de las grandes reglas de la física escondida en nuestra vida cotidiana: el “Principio del Trabajo”. En este artículo, desvelaremos el secreto científico que se oculta en el cambio de marchas de tu bicicleta.
¿Qué es el “Trabajo” en el mundo de la Ciencia?
Primero, vamos a repasar la definición de “Trabajo” en la física. Es un concepto un poco diferente a “trabajar en la oficina”. En el mundo de la ciencia, el “Trabajo” es una magnitud que se calcula como: “Fuerza aplicada a un objeto × Distancia recorrida en la dirección de esa fuerza”.
Por ejemplo, la acción de “mover tu bicicleta (y a ti mismo) desde el Punto A hasta el Punto B en la cima de una colina”. Eso es precisamente el “Trabajo” físico. Y lo crucial es que, sin importar el método que uses, la cantidad total de “Trabajo” necesaria para ir del Punto A al Punto B siempre será la misma, lo cual es un concepto fundamental.
¡No se puede hacer trampa! La Regla Universal del “Principio del Trabajo”
Aquí es donde entra en juego el “Principio del Trabajo”.
【Principio del Trabajo】 Ya sea que utilices una herramienta o no, la cantidad total de Trabajo necesario (Fuerza × Distancia) no cambia. Una herramienta es un “dispositivo de intercambio” que reduce la “Fuerza” a cambio de alargar la “Distancia”, o viceversa.
“Pero, un momento, ¿no se supone que las herramientas están para hacernos la vida más fácil?” Pensarán. Sí, las herramientas nos facilitan la vida, ¡pero no nos permiten “hacer trampa”!
El cambio de marchas (o engranajes) de tu bicicleta es precisamente una de estas “herramientas”. El “Trabajo” necesario (subir la colina) ya está fijado. El engranaje se encarga de intercambiar la forma en que realizamos ese trabajo entre “Fuerza” y “Distancia”.
| Estado de la Marcha (o Engranaje) | “Fuerza” necesaria en el pedal (Dureza) | “Distancia” que recorre el pedal (Veces que pedaleas) | Cómo se realiza el Trabajo |
|---|---|---|---|
| Marcha Ligera (Engranaje 1) | Pequeña (¡Fácil!) | Larga (Hay que pedalear mucho) | Se facilita la “Fuerza” a cambio de esforzarse en la “Distancia” |
| Marcha Pesada | Grande (¡Duro!) | Corta (Se resuelve en pocas pedaleadas) | Se facilita la “Distancia” a cambio de esforzarse en la “Fuerza” |
La verdadera identidad de la Marcha Ligera (Engranaje 1): Ahorrar Fuerza y Ganar por Repetición
Entonces, ¿por qué la “marcha ligera” nos salva en esas cuestas infernales? Para subir una cuesta empinada se necesita más “Fuerza” que en un camino llano (para contrarrestar la gravedad). Si usáramos la misma “marcha pesada” que en llano, simplemente no podríamos empujar el pedal.
Por lo tanto, el acto de elegir una “marcha ligera” es, desde el punto de vista de la física, como si declaráramos:
“¡Voy a reducir la ‘Fuerza (Dureza)’ necesaria para empujar el pedal, a cambio de aumentar la ‘Distancia (Veces)’ que tengo que pedalear!”
Es un espléndido trade-off (intercambio) basado en el “Principio del Trabajo”.
El resultado es el siguiente:
- Como la fuerza requerida es menor, podemos pedalear incluso en una cuesta (se siente más fácil).
- A cambio, la distancia (repeticiones) se alarga, por lo que necesitamos pedalear muchas veces (avanzamos poco).
El mecanismo del Engranaje: ¿Cuántas vueltas da la rueda con una pedaleada?
¿Cómo se realiza exactamente este “intercambio de Fuerza y Distancia”? El secreto está en la relación de tamaño (relación de engranaje) entre el plato delantero (el engranaje del lado del pedal) y el piñón trasero (el engranaje del lado de la rueda).
- Marcha Ligera (para cuestas)
- El engranaje delantero (lado del pedal) es pequeño, y
- El engranaje trasero (lado de la rueda) es grande.
- Con esta combinación, incluso si el pedal da una vuelta completa, la rueda trasera solo gira un poco (por ejemplo, 0.8 vueltas).
- Por eso, la distancia recorrida en una pedaleada es corta. A cambio, como solo giramos la rueda “un poco”, la “Fuerza” necesaria es menor.
- Marcha Pesada (para velocidad)
- El engranaje delantero (lado del pedal) es grande, y
- El engranaje trasero (lado de la rueda) es pequeño.
- Con esta combinación, con solo una vuelta del pedal, la rueda trasera gira muchas veces (por ejemplo, 3 vueltas).
- Por eso, en una sola pedaleada se avanza mucho. A cambio, como giramos la rueda “muchas veces”, se requiere una “Fuerza” mayor.
El cambio de marchas es una invención maravillosa que asiste la manera en que logramos el “Trabajo” hasta nuestro destino, convirtiendo inteligentemente la “Fuerza” y la “Distancia” que aplicamos mediante la combinación de engranajes.
¡Estabas usando las leyes de la física todo este tiempo!
Cada vez que haces “clic” para cambiar la marcha de tu bicicleta, estás aplicando inconscientemente el “Principio del Trabajo” y eligiendo el equilibrio óptimo entre la “Fuerza” y la “Distancia” que necesitas en ese instante. Elegir una marcha ligera en una cuesta no era solo una sensación; era una decisión muy científica para lograr el “Trabajo” de manera inteligente, conservando tu energía. Al descubrir que hay ciencia oculta en cosas tan cotidianas, ¿verdad que tu camino habitual de repente se ve diferente?
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