¿Este resorte que baja las escaleras está vivo? El secreto físico detrás de su andar de oruga
Soy Ken Kuwako, tu entrenador de ciencia. Cada día es un experimento.
Imagínate que tu hijo deja caer suavemente desde lo alto de una escalera un largo muelle de plástico, de esos conocidos como Slinky. El muelle comienza a bajar los escalones lentamente, uno tras otro, como si fuera una criatura con voluntad propia. La escena me pareció tan curiosa que decidí observarla con más atención.
Y entonces descubrí que su movimiento es realmente hipnótico. ¡Te recomiendo que veas el siguiente vídeo!
¿No parece casi como si una criatura parecida a una serpiente o a una oruga estuviera bajando la escalera, avanzando paso a paso? Justo cuando parece que ha caído un escalón, solo la parte final se estira suavemente hasta el siguiente, y el resto del muelle la sigue, como si todo el conjunto fuera atraído hacia delante… Detrás de este movimiento tan extraño se esconde, en realidad, una buena dosis de leyes de la física.
El secreto de este movimiento de oruga está en el desplazamiento del centro de gravedad
Si observamos detenidamente el movimiento del muelle, nos damos cuenta de que todo su cuerpo no cae de una sola vez. Primero, la parte trasera, que queda arriba, se comprime mientras es atraída hacia delante. Después, todo el muelle cae hasta el siguiente escalón. Y este movimiento se repite una y otra vez.
Este movimiento recuerda mucho al de algunos animales. Las orugas y los gusanos medidores, por ejemplo, avanzan contrayendo la parte trasera de su cuerpo, estirando la parte delantera y después acercando de nuevo la parte trasera, ¿verdad? En el caso del muelle ocurre algo parecido: una parte de la espiral se comprime y desplaza el centro de gravedad hacia delante, es decir, hacia abajo. Como consecuencia, el resto del muelle es arrastrado hacia esa dirección y avanza.
Resulta fascinante pensar que tanto el movimiento de un ser vivo al caminar como el de una simple espiral de plástico pueden estar basados en mecanismos físicos similares.
Sigamos el recorrido de la energía
Si analizamos el movimiento del muelle desde el punto de vista de la física, podemos observar una serie de transformaciones de energía.
Al principio, cuando el muelle se encuentra en lo alto de la escalera, posee energía potencial gravitatoria. Cuanto más alto está un objeto, mayor es su energía potencial gravitatoria.
Cuando el muelle comienza a caer, algunas partes de la espiral se comprimen y se estiran. En ese momento, una parte de la energía potencial gravitatoria se transforma en energía potencial elástica, es decir, energía almacenada gracias a la elasticidad del muelle. Es el mismo principio por el que una goma o un muelle estirado tienden a recuperar su forma original.
Después, cuando la parte comprimida del muelle intenta recuperar su forma, la energía elástica que había quedado almacenada se libera rápidamente y se transforma en energía cinética. Esa es precisamente la razón por la que una parte del muelle parece salir disparada hacia el siguiente escalón.
En otras palabras, mientras baja por la escalera, el muelle va repitiendo una especie de carrera de relevos energética:
energía potencial gravitatoria → energía potencial elástica → energía cinética → (en el siguiente escalón) energía potencial gravitatoria…
Este ciclo se repite una y otra vez. Y precisamente porque ocurre en cada escalón, el movimiento del muelle adquiere ese curioso aspecto de criatura viva que avanza paso a paso.
La física del Slinky que incluso llegó a ser famosa en el espacio
Como curiosidad, este juguete llamado Slinky también ha llamado la atención en el mundo de la física en numerosas ocasiones. Existe un famoso experimento en el que se sostiene un Slinky verticalmente por su extremo inferior y se suelta el extremo superior para dejarlo caer libremente.
A primera vista, podríamos pensar que, en cuanto soltamos la parte superior, todo el muelle comenzará a caer al mismo tiempo. Sin embargo, sucede algo sorprendente: el extremo inferior permanece quieto durante un tiempo, mientras la parte superior se comprime y desciende hasta alcanzarlo.
Esto ocurre porque la fuerza generada por la compresión de la parte superior del muelle todavía no se ha transmitido por completo a la parte inferior. Es un experimento muy ilustrativo, porque permite observar directamente que la transmisión de una fuerza no es instantánea: tiene una velocidad limitada.
Si pensamos que el movimiento del Slinky bajando por las escaleras que hemos visto aquí también está relacionado con este «retraso» hasta que la fuerza se transmite, podemos descubrir una nueva y fascinante perspectiva sobre este sencillo juguete.
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