Wild Mini 4WD vs. La Naranja: ¡Guerra de Fricción para Entender la Fórmula de la Física!
Soy Kenkichi Kuwako, entrenador de ciencia. Cada día es un experimento.
Experimento de ciencia con el Wild Mini 4WD
¿Conocen el “Wild Mini 4WD” de Tamiya? A diferencia del Mini 4WD normal, que es una máquina elegante para competir en velocidad, el Wild Mini 4WD tiene ruedas dos o tres veces más grandes, una carrocería robusta y es capaz de superar obstáculos con facilidad. ¡Tiene un aire de “rey del todoterreno”!
Si lo haces correr afuera, la diferencia con el Mini 4WD normal se nota enseguida. Observando este Wild Mini 4WD, me di cuenta de algo: sus grandes ruedas de goma son huecas por dentro y están diseñadas para deformarse y “agarrarse” al suelo, lo que aumenta la fuerza de fricción (fuerza de rozamiento). ¡En otras palabras, tienen un agarre increíblemente fuerte!”¡Quizás esto podría usarse para un experimento sobre la fuerza de fricción!”Con esa idea, compré dos y, después de probar varias cosas, descubrí que podíamos realizar un experimento muy interesante que permite ver las leyes de la física con claridad. Hoy les presento una “receta científica” usando el Wild Mini 4WD.
Receta Científica
Objetivo:
Hacer que dos Wild Mini 4WD compitan en un “tira y afloja” espalda con espalda. En este experimento, investigaremos qué Mini 4WD gana al cambiar los factores que afectan la fricción: el coeficiente de rozamiento (la rugosidad de la superficie) y la fuerza normal (el peso).
Materiales:
Wild Mini 4WD (2 unidades), hilo (como hilo de cometa), pesas (pueden ser naranjas u objetos similares), trapo de limpieza (bayeta), lija, base de plástico (salvamanteles o similar).
Método:
① Montar los dos Wild Mini 4WD. Punto Importante: Deben modificar la caja de pilas para que funcionen con una sola pila (1.5V), pasando un cable. Si usan las dos pilas originales (3V), el torque (fuerza de rotación) del motor será demasiado fuerte, la máquina se levantará sobre las ruedas traseras (hará un caballito) al tirar y el experimento no funcionará bien.② Atar las partes traseras de los dos Wild Mini 4WD con el hilo de cometa.
③ Encender los interruptores de ambos autos al mismo tiempo y hacer que tiren. Si las condiciones son idénticas, las ruedas patinarán en su sitio y habrá un equilibrio (¡esto por sí solo ya entusiasma a los estudiantes!).④ Con los autos en esta posición, colocaremos debajo de las ruedas de uno de ellos un trapo de limpieza, lija o base de plástico para cambiar el estado de la superficie y observaremos hacia dónde se mueve el conjunto.⑤ También observaremos qué sucede al modificar el peso de uno de los Mini 4WD, colocando una pesa (como una naranja) encima.
Por ejemplo, si le ponemos una naranja…
Resultados:
El experimento arroja resultados intuitivamente interesantes. El auto que está sobre la base de plástico resbaladiza pierde porque sus ruedas patinan, mientras que el que está sobre el trapo o la lija gana gracias a su mejor agarre. Además, se observa claramente que el vehículo al que se le añade peso (como una naranja) se vuelve significativamente más fuerte en el tira y afloja.
La Ciencia detrás del Experimento: ¿Por qué gana el más “pesado”?
En muchos problemas de física de la escuela secundaria se suele dar la condición de que “la fricción es despreciable (se asume que no hay fricción)”. Por esta razón, mucha gente puede tener la imagen de que la fricción es un “villano” que simplemente impide el movimiento.Sin embargo, para un automóvil o un Mini 4WD, la fuerza de fricción es la fuerza crucial que les permite avanzar (fuerza motriz). Es como intentar correr sobre hielo: se deslizan y no avanzan. El vehículo puede avanzar gracias a la fuerza de reacción que surge cuando el neumático agarra el suelo firmemente (es decir, cuando hay fricción). Si pones el Wild Mini 4WD en tu mano y lo enciendes, sentirás la fuerza con la que la rueda patea tu piel. Esa es la verdadera naturaleza de la fuerza de fricción.
Relación de Acción y Reacción de la Rueda
Para ganar este tira y afloja, se necesita una fuerza de fricción máxima mayor. La magnitud de la fuerza de fricción se expresa mediante la siguiente fórmula sencilla:
$F = \mu N$
(Fuerza de Fricción Máxima = Coeficiente de Fricción Estática $\times$ Fuerza Normal)
Apliquemos esta fórmula a nuestro experimento:
- $\mu$ (mu): Coeficiente de Fricción Estática. Esto representa lo resbaladiza que es la superficie. Al colocar el trapo o la lija, este valor aumenta, lo que incrementa la fuerza de fricción y permite ganar.
- $N$ (ene): Fuerza Normal. Esta es la fuerza con la que el suelo soporta al objeto y, en superficies planas, es proporcional al peso. Al añadir pesas o una naranja, la rueda se presiona más fuertemente contra el suelo, lo que aumenta la fuerza de fricción y permite ganar.
Caso Pesado vs. Caso Ligero
Cuando les pedimos a los estudiantes que predigan el resultado, algunos piensan: “¿No perderá el más pesado porque le cuesta más moverse?”. Sin embargo, al igual que en el sumo, en una competencia de empuje (o de tirar), el competidor más pesado es ventajoso porque puede agarrarse al suelo con más fuerza. Este es un experimento muy recomendable, ya que al ver a los Mini 4WD competir con sus propios ojos, la fórmula de la fricción ¡entra directamente en la cabeza!
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