Una mosca parada en la pared… pero de un carro

¿Qué le pasa a una mosca dentro de un carro que viaja a 100km/hr? ¿Es una súper mosca solo porque logra igualar la velocidad del coche? Si se observa una mosca volando desde el interior de un carro se aprecia que mosca esta en reposo, pero si se observara desde afuera del coche entonces su velocidad seria de 100km/hr igual que el carro.

Supongamos que la mosca vuela felizmente sobre un espacio determinado dentro del coche en reposo. De repente el carro acelera bruscamente, la mosca se ve afectada por esta aceleración y si tiene mala suerte se puede estampar en algún lado de carro. Pero si fuera el caso de que la mosca descansaba sus patas en cualquier parte del carro, y este acelera, la mosca al igual que el carro se acelera y alcanzan la misma velocidad, después de este cambio la mosca puede volar libremente por el coche mientras se mantenga con una aceleración constante. Y si de pronto te da calor y abres la ventana del coche, las ráfagas de viento entran y sacudirán a la mosca hasta que se estrelle en algún lado.

Este tipo de situaciones son las que observo Newton (obviamente no había carros así en su época) fueron las que lo ayudaron a encontrar lo que se conocería como la ley de la inercia. En este ejemplo se aprecia que dentro de un carro todos los objetos se mueven a la misma velocidad que este.

¿Por qué es importante el uso del cinturón de seguridad?

El airbag junto al cinturón de seguridad es un elemento de seguridad pasiva, aunque este último es de uso obligatorio en cualquier automóvil; por eso su presencia se ha hecho común, hasta el punto de que tal vez no nos demos cuenta de lo importante que es su uso. 

Se estima que en caso de impacto el cinturón de seguridad puede reducir el riesgo de muerte para los ocupantes de los asientos delanteros en un 50%.

Resulta sorprendente que en caso de accidente nuestra vida pueda depender del uso correcto de un objeto en apariencia tan sencillo. ¿Pero qué hace realmente el cinturón de seguridad y por qué es tan importante? 

El objetivo de un cinturón de seguridad es sencillo: evita que salgamos disparados por el parabrisas en caso de que el automóvil sufra una parada repentina como resultado de una colisión, de un frenazo brusco, etc. Pero ¿por qué nuestro cuerpo sigue en movimiento cuando el coche se para? La respuesta a esa pregunta tiene que ver con la inercia.

La inercia se podría definir como la tendencia de un cuerpo a mantenerse en movimiento hasta que alguna acción externa lo altere. Es decir, la inercia de un cuerpo podría entenderse como la resistencia de ese cuerpo a cambiar la velocidad y dirección de su marcha..

Todos los objetos que viajan dentro del automóvil tienen su propia inercia, la cual es independiente del estado de movimiento del coche. Por ese motivo, cuando un coche toma una curva bruscamente sentimos que nos vamos a un lado; realmente lo que sucede es que el coche gira y nosotros tendemos a seguir en línea recta. También debido a la inercia, cuando un coche frena sentimos una fuerza que nos echa hacia delante; realmente lo que sentimos es nuestra tendencia a seguir en movimiento.

Cuando viajamos en un automóvil que se desplaza suavemente a 100 km/h tenemos la sensación de que nuestro movimiento esta ligado al del coche, pero dicha percepción es errónea. Si, por desgracia, el coche se saliera de la carretera y chocara contra un árbol, el automóvil sufriría una parada repentina. Sin cinturón de seguridad, nuestro cuerpo mantendría la misma velocidad que antes del choque; es decir, continuaríamos nuestra marcha a 100 km/h hasta que el parabrisas, el salpicadero, o el propio asfalto nos frenara bruscamente ejerciendo una fuerza tremenda sobre nuestro cuerpo. Si el coche es frenado bruscamente por cualquier motivo, algo debe de ejercer una fuerza sobre sus ocupantes con el fin pararlos. Dependiendo de dónde y cómo se aplique dicha fuerza, los efectos van desde una muerte instantánea a la posibilidad de salir andando sanos y salvos. 

Cuando el cinturón de seguridad es llevado correctamente, la mayor parte de la fuerza de retención será aplicada sobre dos zonas del cuerpo resistentes, como son el pecho y la pelvis. Como el cinturón se extiende a lo largo de un área amplia del cuerpo, la fuerza de retención se distribuye, dando lugar a una menor presión y, por tanto, reduciendo la posibilidad de daños.

En resumen, el cinturón de seguridad retiene al cuerpo en caso de impacto evitando que salga lanzado hacia adelante. Da lugar a una deceleración progresiva del cuerpo reduciendo las fuerzas a las que se ve sometido debido al impacto.

¿Qué es un airbag? ¿Cómo se consigue inflar un airbag en centésimas de segundo?

Junto con el cinturón de seguridad, el airbag es un elemento de seguridad pasiva indispensable en los automóviles modernos. Se estima que en caso de impacto frontal de un vehículo su uso puede reducir el riesgo de muerte en un 30%.

Para detener un objeto que está en movimiento, es necesaria la acción de una fuerza actuando durante cierto tiempo en sentido opuesto a ese movimiento. Cuanto más rápida sea la parada, más intensa tiene que ser la fuerza. Si, por el contrario, la parada se produce en un periodo de tiempo prolongado, la fuerza de retención puede ser menor.

El objetivo del  airbag  es detener el cuerpo de los ocupantes de un vehículo lo más suavemente posible. Esto no es fácil, pues el sistema sólo dispone del espacio existente entre el conductor y el volante; y de un tiempo de centésimas de segundo. A pesar de todo, prolongar o amortiguar, la parada de los ocupantes en un tiempo y un espacio tan reducidos crea sobre sus cuerpos fuerzas menores de las que sufrirían si la parada fuera instantánea. Es decir, el airbag permite amortiguar el golpe del cuerpo contra el volante, el salpicadero y el parabrisas.

Para cumplir un cometido tan difícil, el airbag hace uso de los siguientes elementos:
• Una bolsa (bag) o cojín inflable, fabricado en nailon, el cual está plegado en el centro del volante, en el salpicadero o en cualquier otro lugar donde sea necesario introducir un efecto amortiguador del golpe.
• Un detector de impacto que determina cuándo se produce un choque y activa el inflado del airbag. 
• Un sistema de inflado, basado en una reacción química que se produce de modo casi explosivo y da lugar a un gran volumen de gas nitrógeno. Esta reacción es activada por sistema eléctrico controlado por el detector de impacto.

Los gases producidos de modo explosivo alcanzan suficiente presión como para inflar el airbag en 20 centésimas de segundo. La rapidez del proceso es tal, que el volumen de gas producido hace que el airbag salga de su alojamiento a una velocidad de 300 km/h.

Instantes después de que el airbag se infle, el gas producido comienza a disiparse a través de pequeños orificios existentes en la tela. De este modo, el airbag se desinfla permitiendo la movilidad de los ocupantes.
Están diseñados para complementar la función de los cinturones de seguridad, no para sustituirlos: el cinturón de seguridad ayuda a mantener al pasajero del vehículo en la posición apropiada para lograr la mayor efectividad del airbag.

Fricción, Movimiento Circular y Efectos Inerciales

Mitos de la física aplicada en los transportes

“La fricción sí depende del área de contacto. Si no, porqué los autos de carrera tienen llantas anchas para un mejor agarre?”.
 La fricción no depende del área de contacto en  situaciones con fricción con cuerpos que pueden resbalar pero no rodar. El caso de la fricción de llantas que ruedan es un poco más complicado.

"La fricción estática siempre es igual al producto del coeficiente de fricción estático y la normal". Esta es la MAXIMA magnitud posible, pero en general puede tener cualquier valor menor, hasta cero. A propósito, esta no es una relación fundamental, sino un resultado empírico.


"Si un cuerpo se mueve hacia la derecha, la fricción cinética que siente es hacia la izquierda". Usualmente sí, porque el cuerpo que ejerce la fricción usualmente está en reposo (por ejemplo, el piso). En general, la fricción cinética está en dirección opuesta al vector velocidad del cuerpo calculada desde el marco de referencia en reposo del cuerpo que produce la fricción. La fricción estática apunta en dirección opuesta a la velocidad que el cuerpo tendría si no existiera esta fricción.


 “Al deslizarse en el interior de una pista circular en un plano vertical, la mínima rapidez que debe tener un bloque para que no se despegue de la pista es cero.” Antes de que la rapidez baje a cero el bloque se ha despegado de la pista. La rapidez no puede bajar tanto. La situación crítica se alcanza cuando la fuerza normal de la pista desaparece por instante en el punto más alto de la trayectoria. Esta situación es semejante al caso de una masa que gira sujeta a una cuerda, en donde la situación crítica se alcanza cuando la tensión de la cuerda desaparece por instante en el punto más alto de la trayectoria.



“Tengo una masa sujeta al extremo de una vara. Para que logre dar una vuelta entera al girar en un plano vertical, la tensión en la vara debe ser cero en el punto más alto de la trayectoria”.  No. La situación crítica se alcanza cuando la rapidez de la masa desaparece por un instante en el punto más alto de la trayectoria. La tensión en la vara siempre es mayor que cero.

"Una piedra que gira en un plano horizontal amarrada a una cuerda está en equilibrio porque la tensión se cancela con la fuerza centrífuga". La "fuerza centrífuga" no es una fuerza real porque no se origina en la interacción entre dos cuerpos. Es un efecto de la propia inercia de la piedra. La piedra NO está en equilibrio, pues tiene una aceleración centrípeta debida a la fuerza centrípeta producida por la tensión de la cuerda. Siempre que uses correctamente las leyes de Newton, esto es, con marcos inerciales, no tienes que preocuparte por “fuerzas centrifugas” o efectos inerciales por el estilo.


“La fuerza centrípeta sobre una piedra que gira amarrada a una cuerda siempre apunta hacia el otro extremo de la cuerda”. No necesariamente. La fuerza centrípeta, cuya magnitud es mv²/R,  no es nuevo tipo de fuerza, sino simplemente la fuerza resultante que apunta hacia el CENTRO DEL CIRCULO definido por la trayectoria del objeto. Si la piedra gira en un plano vertical, la fuerza centrípeta sí apunta hacia el otro extremo de la cuerda. Pero si gira en un plano horizontal (péndulo cónico), la cuerda tiene una inclinación respecto a la horizontal, y la fuerza centrípeta no apunta hacia el otro extremo de la cuerda, sino hacia el centro de un círculo horizontal de menor radio que la longitud de la cuerda, que se encuentra por debajo del otro extremo de la cuerda. En este caso la fuerza centrípeta tiene una magnitud menor a la de la tensión de la cuerda.

"La fuerza centrífuga es muy real. Cuando el carro en que viajo entra a una curva yo siento una fuerza que me hala hacia afuera de la curva". Lo que sientes es el efecto de tu propia inercia cumpliendo con la primera ley de Newton, o sea, tu cuerpo tratando de seguir en línea recta. El efecto es real, pero no es correcto llamarlo fuerza, porque no existe otro cuerpo al cual atribuirle una interacción. Debes agradecer que sí sientes fuerzas reales, tales como la fuerza normal de contacto que la pared interna del carro ejerce contra tu cuerpo en dirección hacia adentro de la curva. Gracias a esas fuerzas centrípetas reales, no sigues en línea recta, sino que sigues la curva.

"Los astronautas que orbitan en el trasbordador espacial están flotando porque el alcance de la gravedad de la tierra no va mucho más allá de la atmósfera y están en un ambiente de microgravedad". A alturas de unos pocos cientos de kilómetros sobre la superficie de la tierra, la gravedad que sienten (su peso) es prácticamente la misma que en la superficie de la tierra. Flotan porque ellos y su nave están en una CAIDA LIBRE en donde la velocidad tangencial es tan grande que nunca llegan a la tierra.

¿Cómo funcionan los frenos?

Todos sabemos que presionando el pedal del freno el carro de detiene, pero ¿cómo sucede eso? ¿Cómo el carro transmite la fuerza de tu pierna a las llantas? ¿Cómo debe de ser la fuerza aplicada al pedal para que algo tan grande como un carro se detenga?

Cuando tú presionas el freno, el carro transmite la fuerza de tu pie al pedal a través de un fluido. Desde que los pedales actuales requieren más fuerza de la que tú podrías aplicar con tu pie, tu carro debe multiplicar la fuerza que tú aplicas con tu pie al pedal y esto pasa en dos maneras:

• De manera mecánica: cuando presionas y se acciona el fluido
• La fuerza hidráulica: los pedales transmiten la fuerza aplicada a las llantas utilizando fricción, y las llantas trasmiten esa esa sobre el pavimento usando fricción también. 

Estos frenos siguen en algunos carros pero con el avance de la tecnología surgieron los frenos ABS (por sus siglas en inglés Anti-lock braking system ) y en la actualidad es muy común escuchar que algunos vehículos están equipados con estos frenos, de hecho, se ha convertido en una muy buena herramienta de venta para los vendedores de automóviles. Sin embargo, existen muchas personas que desconocen el funcionamiento de los frenos ABS o no saben cómo utilizarlos.

¿Por qué surgieron?
El concepto de los frenos ABS parte del simple hecho que si la superficie del neumático se está deslizando sobre el pavimento entonces se tiene menos tracción. Los frenos ABS precisamente evitan que las llantas se detengan totalmente y se deslicen en la superficie lo cual genera dos ventajas importantes: la distancia de frenado es menor debido a la mayor tracción y es posible seguir dirigiendo el vehículo con el volante mientras se frena.

¿De qué consta un sistema de frenos ABS?
Se requieren de cuatro componentes para el funcionamiento de un sistema ABS:

• Sensor de velocidad: Cada rueda del coche o bien el diferencial cuenta con un sensor de velocidad que determina cuando la rueda está a punto de bloquearse
• Válvulas: Existe una válvula en cada línea de líquido de frenos para cada freno controlado por el ABS. Estas permiten presurizar o bien liberar presión en cada una de las ruedas según los requerimientos.
• Bomba: Cuando se libera presión en los frenos mediante las válvulas, la bomba tiene la función de recuperar la presión.
• Controlador: El controlador es una computadora que recibe señales de los sensores de velocidad de las ruedas y con esta información opera las válvulas.

¿Cómo usar los frenos ABS?
Antes de que existieran los frenos ABS se le enseñaba a los conductores a frenar en superficies resbaladizas pisando y soltando el pedal del freno constantemente para evitar que el vehículo se derrapara. Con los frenos ABS no es necesario realizar esta operación. En cualquier situación de emergencia con frenos ABS solo se requiere pisar el pedal a fondo y prepararse para maniobrar el vehículo con el freno.
La física es participe de este avance gracias a los conocimientos de fricción.

¿Cómo funciona un carro?

Has levantado el cofre de tu carro e imaginado que es lo que realmente pasa ahí? Un carro puede parecer una caja de metal con cable y botones, pero es mucho más que eso.

 El propósito de un carro de gasolina es convertir la gasolina en movimiento, para que esto pase el carro lleva a cabo algo llamado combustión interna.

Existen diferente tipos de combustión como de diesel y gas turbina, pero realmente el truco esta en el motor donde toda la magia se lleva acabo y la física participa para llevar acabo el movimiento del carro, pues desde el diseño del carro hasta la velocidad que tomara al final es gracias a cálculos físicos, en el siguiente video los identificaras. 

Introducción

El automóvil es una de las mejores adquisiciones del hombre. El carro tiene diferentes tipos de tecnologías, de las cuales en su mayoría si no es que en su mayoría es gracias a la física. Quizás sea fácil tomar un volante de un carro o solo admirar lo bonito que puede ser, pero debajo de esa carrocería están estudios de física y en este blog se hablarán de cosas que quizás no sabías de los carros o entenderás porque y para que cada parte de tu automóvil.

Este blog es para quien sabe que la física y los automóviles van de la mano y nos lo tomamos enserio. Pues el carro es 100% físico y producto de la física