1. Por qué un péndulo no vuelve a la altura desde la que lo soltamos
Imagina que pegas una nota adhesiva en la pared y levantas un hilo con una tuerca hasta esa altura. Al soltarla suavemente, la tuerca oscila hacia el otro lado, pero al regresar, se detiene un poco por debajo de la nota. En cada intento, llega un poco menos alto. [1]
Esto ocurre porque la energía mecánica no se conserva. En un péndulo real, la fricción en el punto donde está sujeto el hilo y la resistencia del aire le quitan energía. Al chocar constantemente contra las moléculas del aire, la tuerca pierde energía poco a poco. [1]
A este tipo de movimiento, donde la amplitud (la altura máxima) disminuye con el tiempo, se le llama "oscilación amortiguada". Los diccionarios explican que es el fenómeno en el que la energía de la vibración se reduce debido a la resistencia del aire o la fricción. [2]
Entonces, ¿cómo cambia esta pérdida de altura según el peso del objeto que cuelga?
2. Por qué los objetos grandes y ligeros pierden altura más rápido por la resistencia del aire
Si corres sosteniendo un abanico grande, sientes mucho viento y te cuesta avanzar. La resistencia del aire frena el movimiento. Aunque el movimiento de un abanico no es idéntico al de un péndulo, el principio es similar: si el objeto es grande y ligero, la resistencia del aire afecta más su movimiento. [5]
En experimentos universitarios, se comparan pesos grandes y ligeros con pesos pequeños y pesados. Se observó que los pesos grandes y ligeros sufren más la resistencia del aire, por lo que su oscilación se reduce mucho más rápido. Los pesos pequeños y pesados oscilan durante más tiempo. [5]
¿Qué causa más pérdida de energía: el aire o la fricción del punto de apoyo? Depende del tamaño y la construcción del péndulo. Para péndulos de unos pocos centímetros a varios metros, la resistencia del aire suele ser proporcional al cuadrado de la velocidad, mientras que la fricción del punto de apoyo suele tener un término importante que no depende de la velocidad. No existe un porcentaje general que diga "el aire es el X% y la fricción el Y%". [3]
Pero, si la altura disminuye, ¿cambia también el tiempo que tarda en completar un ciclo?
3. Por qué el tiempo de un vaivén es casi el mismo con mucha o poca amplitud
Tanto si el péndulo oscila con gran amplitud como si lo hace con poca, el tiempo para completar un vaivén completo es casi idéntico. Esto se conoce como isocronismo del péndulo, y no depende del peso del objeto. Lo que determina principalmente el tiempo es la longitud del hilo. [6]
Sin embargo, el isocronismo es una aproximación. Según los materiales del Centro de Educación de la Prefectura de Toyama, si se mide con precisión, el período es ligeramente más largo cuando la amplitud es mayor. Pero esta diferencia es extremadamente pequeña comparada con los cambios causados por la longitud del hilo. [6]
Se cuenta que Galileo Galilei descubrió esta propiedad en 1583. La leyenda dice que se dio cuenta al observar una lámpara que oscilaba en la catedral de Pisa. [7]
Si la altura baja pero el ritmo no cambia, bastaría con añadir la energía perdida para que el péndulo funcione como un reloj preciso. ¿Cómo hacen los relojes para añadir esa energía?
4. Cómo los relojes de péndulo reciben un empujón en cada oscilación
En los relojes de péndulo con contrapeso, el peso que baja hace girar los engranajes. Un mecanismo llamado "escape" tiene dos ganchos que interactúan alternadamente con los engranajes, permitiendo que giren poco a poco. Christiaan Huygens construyó el primer reloj de péndulo de este tipo en 1656. [7]
Con este sistema, cada vez que el péndulo oscila, el gancho recibe el empuje de un diente del engranaje y transmite un pequeño impulso al péndulo. [9] Se explica que este impulso, sincronizado con el movimiento del péndulo, compensa la energía perdida por la resistencia del aire y la fricción, manteniendo el péndulo en movimiento. [8]
Es similar a cuando un amigo te empuja suavemente la espalda en un columpio. Si el empuje llega en el momento justo, el columpio no se detiene. En el reloj, quien empuja no es una persona, sino los ganchos del mecanismo de escape. [9]
La resistencia causada por la viscosidad del aire también se compensa con la potencia del resorte o del contrapeso. En los relojes de contrapeso, mientras el peso baja lentamente, el reloj sigue funcionando. [9]
5. Cómo el péndulo de Foucault y los grandes péndulos de museo se mantienen en movimiento con electroimanes
En 1851, Foucault suspendió un péndulo desde la cúpula del Panteón de París. Usó un cable de 67 metros de longitud y una masa de plomo recubierta de latón de 28 kg. Es conocido como el "péndulo de Foucault". [10]
Incluso un péndulo tan grande pierde amplitud debido a la resistencia del aire. Por eso, algunos péndulos de Foucault en los museos utilizan dispositivos de accionamiento, como electroimanes, para mantener la masa oscilando. Se menciona un ejemplo donde se coloca un anillo de hierro en el cable, y el electroimán lo atrae cuando el péndulo comienza a moverse. [10]
Hay péndulos grandes de museo que también tienen mecanismos para "compensar lo que se pierde", de manera similar a los relojes. [10]
6. Cómo comprobar la altura y el tiempo del péndulo con hilo y tuercas
Para probar esto, necesitas hilo, una masa pequeña y pesada como una tuerca, y un cronómetro (el segundero de un reloj también sirve). [5]
Experimento 1: Con la misma longitud de hilo, mide el tiempo de 10 oscilaciones completas con una amplitud grande y luego con una pequeña. Deberían ser casi iguales. Como la diferencia es pequeña, el tiempo que tardas en presionar el botón del cronómetro podría invertir los resultados. Hazlo 3 veces y compara. [6]
Experimento 2: Con la misma longitud de hilo, compara una tuerca con una pelota de ping-pong pegada con cinta. Cuenta cuántas oscilaciones pasan hasta que la amplitud es la mitad de la inicial. En las demostraciones de UCSB, las masas grandes y ligeras se reducían más rápido. [5] Pero ten en cuenta que en casa no siempre se obtienen los mismos resultados.
Si encuentras un reloj de péndulo, observa el movimiento de los engranajes. Quizás puedas ver cómo los ganchos del escape detienen y avanzan los engranajes. [7]
Nota de seguridad: Realiza estos experimentos siempre con la supervisión de un adulto. Hazlo en un lugar donde no haya personas ni objetos frágiles cerca. No balancees el péndulo frente a tu cara. [5]