De gatos, galaxias y átomos

Según la sabiduría popular, los gatos siempre caen de pie. La experiencia nos enseña que esto es cierto la mayoría de las veces, lo suficiente como aceptar esta afirmación como cierta.Veamos que tiene la física que decir al respecto.

Una vez que el gato está cayendo, despreciando la resistencia al aire, y considerando a la Tierra como parte del sistema, no hay fuerzas externas actuando sobre el sistema. Esto implica que deber existir conservación del momentum angular. Supongamos que nuestro gato car inicialmente de espaldas al suelo. Para volverse y poder caer de pie debe efectuar un giro de 180 grados sobre su propio eje (entiendase como eje la línea que pasa por su centro de masa y es pararalela a su espina dorsal). Como su velocidad angular inicial es cero, el gato estaría violando la ley de conservación del momentum al rotar simultaneamente todas las partes de su cuerpo. 

En la figura de la izquierda se muestra una secuencia de imágenes de un gato volviéndose hacia el suelo mientras cae. Como se aprecia en las imágenes la estregia gatuna consiste justamente en aprovechar la ley de conservación de momentum y la relación entre inercia de rotación y velocidad angular. En este punto es útil recordar que el moemtnum angluar de un cuerpo sólido es igual al producto de su inercia de rotación y su velocidad angular.  Al caer, el gato estira sus extremidades posteriores y recoge las delanteras. De esta manera aumenta la inercia de rotación de la parte posterior de su cuerpo mientras que disminuye la inercia de la parte superior. Esto le permite rotar rápidamente sus patas delanteras un poco más de 180 grados hacia el suelo. Para conservar el momentum total de su cuerpo, la parte posterior gira lentamente en sentido contrario. Una vez concluida esta maniobra, el gato realiza el proceso contrario: estira sus patas delanteras y recoge las posteriores, de manera que aumenta la inercia de rotación del segmento delantero de  su cuerpo y disminuye la del posterior. Esto le permite ahora girar rápidamente sus patas posteriores hacia el suelo. Mientras, la parte delantera de su cuerpo gira en sentido contrario para conservar la cantidad de movimiento angular inicial. Sin embargo la velocidad es lo suficientemente baja como para que sus patas se encuentren justamente en posición de aterrizaje.

Este es apenas un ejemplo de que como el momentum angular, en este caso su conservación, rige muchos fenómenos en la naturaleza: desde formación estelar , de galaxias, y  planetaria, hasta las leyes de la mecánica cuántica.  Por ejemplo en el caso de galaxias, la conservación del momentum angular determina su forma y su velocidad de rotación en función de los cambios en el tamaño de la misma.  En el caso de la mecánica cuántica, las partículas tienen un momentum angular intrínseco llamado espín que determina su estado energético así como la interacción con otras partículas.

Los frenos de tu carro

Cuando alguien habla más específicamente de los frenos de un carro se dice que son frenos hidráulicos, que son los más comunes, antes también se usaban los frenos de aire pero esos se han dejado de utilizar ya que son mucho más duros que los hidráulicos.

De manera simplificada ambos sistemas de frenos se conectan entre el pedal del freno y la llanta por medio de mangueras (mangueras de frenos), en un caso llenas de aire y en el otro de algún líquido. En las mangueras llenas de líquido o fluido este debe cumplir con la característica de no ser compresible, es decir, por más que se haga fuerza sobre él no lo podemos comprimir ni un poco, es precisamente esta característica que lo hace deseable para el frenado, le aplicamos una fuerza por medio del pedal generando una presión sobre el fluido que se lleva a través de la manguera hasta las llantas. En el caso de los frenos de aire, que es un fluido compresible, hay que aplicar mucha más presión para lograr el mismo frenado que con los hidráulicos, por eso da la sensación de ser más duro.

El funcionamiento de los frenos hidráulicos se basa en el Principio de Pascal:

“la presión ejercida en la superficie de un fluido se propaga en la misma medida por todo el fluido y hacia las paredes del recipiente que lo contiene”

Los frenos hidráulicos usan el principio de pascal no solo para transmitir presión del pedal del freno a las llantas, también utiliza este principio para generar un dispositivo multiplicador de fuerza. ¿Qué?... A ver, explico:

¿Has pensado como hacés para frenar un carro con la fuerza de tus pies? Si intentamos hacerlo, al mejor estilo de los Picapiedra, nuestros pies terminarían destruidos sin lograr frenar de manera apreciable el carro, el principio de pascal permite hacer una fuerza pequeña sobre el pedal del freno y la presión que se genera dentro de las mangueras aplica una fuerza mucho mayor sobre la llanta. A esto se le llama prensa hidráulica y se utiliza en muchas aplicaciones además de los frenos, se hacen elevadores, y la silla del peluquero y el dentista funcionan así también.

En los carros existen dos tipos de frenos, de tambor y de disco. Para accionar los de tambor dos piezas llamadas zapatas hacen fuerza contra la parte interna del aro en que se encuentra la llanta, el en caso de los frenos de disco, la llanta tiene incorporado un disco de metal que gira con ella para frenar dos pequeñas palancas (las pastillas) hacen presión sobre los bordes del disco. En ambos casos el frenado se logra por fricción pero en los frenos de disco se logra rozar una menor superficie que en los de tambor por lo que la fricción genera un menor calentamiento y los hace más eficientes. Algunos discos que deben tener un muy alto rendimiento, como en los carros de carreras, son ventilados, no son un disco sólido sino que tiene huecos en su superficie, estos son más difíciles de construir, y como se imaginarán más caros.

La mayoría carros tiene frenos de disco en las llantas delanteras que requieren de un mejor frenado y frenos de tambor en las llantas traseras, los carros que tienen discos en las cuatro llantas tienen precio más elevado.

¿Y el ABS?

En el último tiempo es normal que como una extra te vendan frenos ABS, ¿que se gana con ese sistema? ¿Es más seguro tenerlos y pagar la diferencia en un carro que sí los tenga?

Lo analizaremos en una siguiente publicación.