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MVJF-029 · Mecánica

Descenso más rápido

Dos carriles unen los mismos puntos, uno recto y otro curvo; la bola que va por la curva, más larga, llega antes.

Los dos carriles, de perfil. Salen del soporte blanco de la izquierda y acaban en dos latas: el de arriba es recto y el de abajo, curvo.
Los dos carriles, de perfil. Salen del soporte blanco de la izquierda y acaban en dos latas: el de arriba es recto y el de abajo, curvo.
El aparato visto desde el otro lado: la curva baja deprisa al principio y llega casi horizontal a su lata.
El aparato visto desde el otro lado: la curva baja deprisa al principio y llega casi horizontal a su lata.
Vista oblicua desde el lado de la salida, con las dos latas al fondo.
Vista oblicua desde el lado de la salida, con las dos latas al fondo.
Simulación de la carrera, a cámara lenta (10 veces más despacio): las bolitas deslizan sin rozamiento por la recta, la curva del aparato y la braquistócrona.

Qué es

Dos carriles metálicos salen del mismo punto, en lo alto de un soporte blanco, y llegan a la misma altura, unos 80 cm más allá. Uno es recto; el otro es una curva que baja deprisa al principio y llega casi horizontal al final. Al final de cada carril hay una lata vacía que recoge la bola.

Se sueltan dos bolas a la vez, una por cada carril. ¿Cuál llega antes? Es un aparato que se encuentra, en distintas versiones, en muchos museos de la ciencia (Güémez, 2007).

Cómo funciona

1. El camino más corto no es el más rápido

La recta es el camino más corto entre los dos puntos. Aun así, la bola que va por la curva, que recorre algo más, llega antes, y con clara ventaja. Lo que cuenta no es solo la distancia, sino también lo deprisa que se recorre (Güémez, 2007).

La carrera, a escala: posición de cada bola cada 0,1 s. La curva del aparato gana a la recta, y la braquistócrona, que no está en el aparato, gana a las dos.
La carrera, a escala: posición de cada bola cada 0,1 s. La curva del aparato gana a la recta, y la braquistócrona, que no está en el aparato, gana a las dos.

2. Gana la que coge velocidad antes

Al final, las dos bolas llevan la misma rapidez, porque han bajado la misma altura: la energía potencial que pierden se convierte en energía cinética, sea cual sea el camino. La diferencia está en cuándo la consiguen.

Por la recta, la pendiente es suave todo el rato: la bola acelera poco a poco y solo alcanza su rapidez máxima al llegar. Por la curva, la caída del principio le da casi toda su rapidez enseguida, y recorre el resto del camino deprisa (Güémez, 2007).

Rapidez de cada bola frente al tiempo. Las tres llegan con la misma rapidez, pero la de la curva y la de la braquistócrona la alcanzan mucho antes.
Rapidez de cada bola frente al tiempo. Las tres llegan con la misma rapidez, pero la de la curva y la de la braquistócrona la alcanzan mucho antes.

3. La curva más rápida de todas: la braquistócrona

La curva del aparato no es la más rápida posible. La curva por la que se baja en el menor tiempo se llama braquistócrona («tiempo más corto», en griego) y es una cicloide: la curva que dibuja un punto de una rueda que rueda (Güémez, 2007). Empieza en vertical, para ganar velocidad cuanto antes.

La cicloide: el punto marcado de la rueda dibuja la curva verde mientras la rueda rueda por debajo de la recta.
La cicloide: el punto marcado de la rueda dibuja la curva verde mientras la rueda rueda por debajo de la recta.

Con las proporciones de este aparato, la braquistócrona baja 28 cm, el doble del desnivel entre los dos extremos, y luego vuelve a subir hasta el final. Aunque baje y suba, gana: la bola tarda 0,56 s, frente a 0,71 s por la curva y 0,98 s por la recta, si se deslizan sin rozamiento.

Pruébalo tú

  1. Haz tu propia carrera. Con dos canaletas de plástico flexible (de las de cables), haz una rampa recta y otra que baje deprisa al principio, entre los mismos dos puntos. Suelta dos canicas a la vez.
  2. Escucha la llegada. Pon una lata vacía al final de cada canaleta: el golpe de las canicas te dirá cuál llega antes, aunque no lo veas.
  3. Exagera la curva. Haz que la curva baje por debajo del final y vuelva a subir. ¿Sigue ganando a la recta? Prueba con varias profundidades.

Para saber más

La misma rapidez al llegar

Si una bola desliza sin rozamiento y baja una altura $H$, la conservación de la energía da su rapidez al llegar:

$$ v = \sqrt{2 g H} . $$

Con $H = 14\ \mathrm{cm}$ (supuesta), $v = 1{,}66\ \mathrm{m/s}$ por cualquier camino (Güémez, 2007). Por la recta, de longitud $s = \sqrt{L^{2} + H^{2}} = 81{,}2\ \mathrm{cm}$ y aceleración constante $g H/s$, la bola tarda $t = s\,\sqrt{2/(g H)} = 0{,}98\ \mathrm{s}$: su rapidez media es la mitad de la final.

Un camino de dos tramos

En una rampa con altura $h$ igual a su base, un camino de dos tramos rectos A–O–B, con O en la bisectriz del ángulo recto a una distancia $x$ de cada cateto, se recorre en (Güémez, 2007)

$$ t(x) = \sqrt{\frac{2}{g}}\; s_{\rm a} \left[ \frac{1}{\sqrt{h - x}} + \frac{\sqrt{h} - \sqrt{h - x}}{x} \right], \qquad s_{\rm a} = \sqrt{(h - x)^{2} + x^{2}} . $$
  • Con $x = h/2$ es la recta: $t = 2\sqrt{h/g}$.
  • Con $x \to 0$ (caída vertical y tramo horizontal): $t = \tfrac{3}{2}\sqrt{2h/g} \approx 2{,}12\sqrt{h/g}$, más lento.
  • El mínimo está en $x \approx 0{,}33\,h$: $t \approx 1{,}87\sqrt{h/g}$, un 6 % menos que la recta.
Tiempo por el camino de dos tramos según dónde esté el codo O. Por debajo de la recta hay toda una gama de caminos más rápidos.
Tiempo por el camino de dos tramos según dónde esté el codo O. Por debajo de la recta hay toda una gama de caminos más rápidos.

La cicloide

La braquistócrona que sale de A es $x = r(\theta - \sin\theta)$, $y = r(1 - \cos\theta)$, con $y$ hacia abajo. Para que pase por B, a $L = 80\ \mathrm{cm}$ y $H = 14\ \mathrm{cm}$ (supuestos), $\theta_{\rm B} = 270^\circ$ y $r = 14\ \mathrm{cm}$. Sobre ella, $\theta$ crece de forma uniforme:

$$ t_{\rm B} = \theta_{\rm B} \sqrt{\frac{r}{g}} = 0{,}56\ \mathrm{s} . $$

Una bola que rueda en vez de deslizar tarda más, al menos un factor $\sqrt{7/5} \approx 1{,}18$ si es maciza (Güémez, 2007), pero ese factor es casi el mismo en los tres caminos y el orden de llegada no cambia.

Para leer más

  • J. Güémez, Física de juguetes y dispositivos sencillos. Descenso más rápido, Departamento de Física Aplicada, Universidad de Cantabria (2007). Notas de clase.

Conceptos clave

  • descenso más rápido
  • braquistócrona
  • cicloide
  • tautócrona
  • conservación de la energía
  • plano inclinado
Museo Virtual de Juguetes de Física · Julio Güémez

Doctor en Física y Profesor Titular de Termodinámica Grado en Física, en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria

Datos y contacto

julio.guemez@unican.es

+34 677 851 261

Facultad de Ciencias. Avda. de los Castros, 48. 39005 Santander | Cantabria

DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA

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