La Estática en Movimiento

¡Hola qué tal lector estático! Antes de disfrutar las fiestas decembrinas comentaré sobre algunas aplicaciones de la Estática que considero muy importante y que en la mayoría de las ocasiones ni nos damos cuenta que es gracias a esta ciencia física. Y pues era indispensable mencionar los usos de la Estática, porque esta bonita ciencia no sólo son cálculos de sumatorias de fuerzas en x, en y o de momentos, también nos brinda considerables servicios prácticos.

Retomando un poco lo mencionado en mi primer artículo (¿Señor Newton para qué nos sirve la Estática?), la Estática estudia a los cuerpos quietos, sin movimiento. Un ejemplo de esto es el puente que puedes apreciar como fondo de nuestro blog. Que en términos estáticos es denominado como armadura. Estas armaduras se construyen y calculan con el fin de nunca ser derrumbadas, o sea que a pesar del paso del tiempo SIEMPRE estén quietas. De la misma manera como la Estática nos permite edificar este tipo de estructuras, asimismo nos ayuda a seleccionar el material más idóneo con el que será construido la armadura.

Torre Eiffel

Ejemplo claro de lo mencionado es la famosísima Torre Eiffel construida a base de hierro forjado, puesto que este material es duro, maleable y con facilidad de ser aleado con otros metales. Gracias a este material es posible contemplar siempre en perfecto estado a esta estructura tan estática y con una estética impresionante. Otra cuestión de gran relevancia es al fenómeno de dilatación que sufren los cuerpos a causa de la variación de la temperatura; en el caso de la Torre Eiffel, ésta no tiene la misma altura durante invierno que durante el verano, y sin embargo este fenómeno no afecta su equilibrio estático (Si quieres ver más información de la variación de la altura de la Torre Eiffel haz clic aquí).

Otra aplicación que contemplamos en nuestra Ciudad de México es el segundo piso de Periférico, que al igual que los ejemplos anteriores cumple con las leyes de la estática (eso es lo que esperamos todos). Aquí un video aéreo de la construcción de esta grandiosa estructura. Vale la pena verlo y te entretendrás con la conversación de los operadores.

Video extraído de Youtube.com 

Puente Golden Gate

La Estática también es responsable de la construcción del famoso puente Golden Gate ubicado en San Francisco, California. Siendo uno de los puentes colgantes más largos del mundo, el Golden Gate es también una armadura estáticamente muy estable; a no ser que Magneto se encuentre cerca y lo destruya… LOL (Si te interesa conocer los puentes colgantes más largo del mundo haz clic aquí).

Y así podría enumerar cuantiosas estructuras que apoyadas en la Estática son importantes aplicaciones que en nuestra vida cotidiana se nos son tan familiares, como son el edificio más alto del mundo, Burj Khalifa, la Ópera de Sidney, el Empire State, la Torre de la Libertad, el Big Ben y el estadio de futbol más grande del mundo, el Estadio Rungrado May Day, entre otras estructuras igual de importantes.

Nuevamente hago la interrogante, ¿Te habrías imaginado que el estudio de los cuerpo quietos sería tan basto y con tantas aplicaciones? En lo personal, ni me lo imaginaba...

La leyenda de Galileo

Después de hablar sobre conceptos básicos de la Estática, orígenes y algunas aplicaciones de la misma, ahora escribiré un poco sobre el famosísimo experimento del gran italiano Galileo Galilei referente a la fuerza de gravedad, que si bien es considerado como un relato fantasioso contado por uno de sus estudiantes, planteó las bases para el estudio de dicha fuerza.

Galileo Galilei

A todos nos enseñaron en la escuela que todos los cuerpos caen con la misma aceleración, independientemente de su peso. Lo cual es debido a que la fuerza ejercida por la gravedad es directamente proporcional a la masa del cuerpo. Un cuerpo con el doble de masa que otro, será atraído con el doble de fuerza, pero como la aceleración producida es igual a la fuerza divida entre la masa, nos quedaría que es la misma para todos los objetos. De hecho, en la escuela también nos enseñaron que esa aceleración a nivel del mar es de 9.8 m/s² y se conoce normalmente como  gravedad, fuerza gravitatoria o gravitacional y que se representa con la letra g.

Y ciertamente todo lo anterior es correcto, pues a través de los años se ha comprobado mediante experimentos y cálculos. Sin embargo, con esto me pregunto: 

¿Quién fue tan inteligente como para cuestionarse sobre dicha fuerza de gravedad y darse a la tarea de descubrirla? Creo que fueron múltiples las personas que a través del tiempo trataron de darle solución a esta incógnita, pero fue el señor Galileo quien logró solucionarla. Y aunque digan que Newton pudo traducirla al complejo lenguaje de las matemáticas y que Einstein demostró que su fórmula era la más fregona, quien les dejó todo servidito fue el italiano.

Galileo en la Torre de Pisa

Ahora bien, ¿Cómo le hizo Galileo para descubrir la gravedad? La leyenda cuenta que Galileo subió a lo alto de la Torre de Pisa y dejó caer bolas del mismo tamaño pero de diferente material: balas de cañón, balas de mosquetón, oro, plata y madera. Y comprobó que todos los objetos cayeron al suelo al mismo tiempo.
 Se cuenta también que Galileo realizó este experimento cuando los aristotélicos (científicos y/o filósofos que consideraban como la ley todo lo dicho y hecho por Aristóteles) transitaban por la plaza, para que observaran que su dios Aristóteles estaba en un error, pues él consideraba que los cuerpos más pesados de una materia específica caen de forma más rápida que aquellos que son más ligeros cuando sus formas son iguales.

PERO… ¿Por qué si repetimos el experimento no ocurre lo que Galileo dijo? Y si no me creen háganlo ustedes mismo y verán que cae primero el cuerpo de mayor masa. Y es que a pesar de que la gravedad imprime la misma aceleración a todos los cuerpos, éstos no caen a la misma velocidad. 

¿Pero no es eso una contradicción con las leyes de la física? Pues no, porque la gravedad no es la única fuerza sobre un cuerpo en caída libre. Existe otra fuerza muy importante que se opone a la caída, y es el muy mencionado rozamiento del aire.

Todos hemos hecho problemas de caída libre en las clases de física, o del famoso tiro parabólico Y siempre, el enunciado del problema decía lo mismo: "considerando el rozamiento del aire despreciable" que básicamente quiere decir, suponer que la fuerza de la gravedad es la única fuerza existente. Este planteamiento es bastante lógico desde un punto de vista pedagógico. Si nos están enseñando la fuerza de la gravedad, pues los problemas deberían basarse exclusivamente en eso. Pero en el mundo real, el rozamiento del aire no es nada despreciable. Es la fuerza debida al rozamiento del aire la que hace que un paracaídas funcione. Es el rozamiento del aire el que hace que la mayoría de los meteoritos se desintegren antes de tocar el suelo, y el que hace que los transbordadores espaciales se calienten tanto al pasar por la atmósfera terrestre. Es el aire el que produce la fuerza de sustentación de un avión, o el que permite que un helicóptero se mantenga flotando. Así que su efecto no es en absoluto despreciable.
Imaginemos que tenemos dos bolas del mismo tamaño, una de plomo y otra de plástico, y las dejamos caer desde cierta altura. En el instante en que las soltamos, la única fuerza que actúa sobre ellas es la gravedad, por lo que sufrirán la misma aceleración (los famosos 9.8 m/s² ), y caerán a la par. Pero desde el momento en que empiezan a caer, aparece la fuerza de rozamiento del aire, que se opone al movimiento de caída. Al principio, como caen a la misma velocidad, la fuerza será igual para ambas. Pero como la aceleración es igual a la fuerza dividida entre la masa, la aceleración (desaceleración, más bien) debida al rozamiento del aire será menor en la bola de plomo que en la de plástico. Por lo que el efecto del rozamiento del aire frena más a la bola de plástico que a la de plomo, y por lo tanto esta última llegará antes al suelo.

Entonces, ¿Cómo fue posible que Galileo haya afirmado que todos los objetos caían al mismo tiempo? Lo único que se me ocurre es que realizó su experimento en una cámara de vacío, en la Luna o en sus sueños. Y considerando la tecnología de ese entonces lo dudo mucho, además ni cronómetros tenían como para verificar el tiempo exacto. No creo que se haya apoyado de algún reloj de arena o de sol o de su propio conteo, pues los resultados no podrían haber sido tan precisos.

Por eso mis queridos lectores, es una simple leyenda sostenida con bastantes conocimientos y de la cual varios científicos se basaron para sus investigaciones.

¿Señor Newton para qué nos sirve la Estática?

Muy bien, como ya sabemos la estática es una rama de la física que se encarga del estudio de los cuerpos en equilibrio,  es decir que la suma de las fuerzas y momentos que sobre éste actúan sean igual a cero… o en términos coloquiales, la estática estudia a los cuerpos quietos, sin movimiento.

Pero muchos nos preguntaremos,  ¿por qué y para qué estudiar algo sin movimiento? Se supone que si un cuerpo está quieto no hace nada. Sin embargo aunque un cuerpo se encuentre en equilibrio estático, éste realiza diversas acciones hacia otros cuerpos. Por ejemplo, nos encontramos dentro  de nuestro salón de clases: observamos que hay butacas, mesas, pizarrones, ventanas, etc.; observamos también que todo está quieto, pero no por eso dichos objetos no hacen nada, al contrario,  éstos ejercen cierta fuerza sobre nuestro edificio (que también está estático), y si no estuviese construido adecuadamente, se nos derrumbaría… Ouch!!

Bueno, por lo que pudimos apreciar en el ejemplo anterior, estudiar a los cuerpos sin movimiento tiene MUCHA importancia. Y así como el ejemplo del edificio, en la vida cotidiana podemos encontrar muchos más: la cimentación de nuestros tan adorables centros comerciales,  el segundo piso de Periférico, la construcción de la nueva línea del metro en la Ciudad de México, o  el carísimo pero elegante puente Mezcala sobre el que pasamos cuando viajamos a Acapulco. Asimismo, la estática nos permite seleccionar el material apropiado con el cuál realizar dichas construcciones.

Dejando a un lado las construcciones, la compresión de la estática da origen a otra ciencia, la Hidrostática, que estudia los fluidos en equilibrio; algunas aplicaciones de la hidrostática son: el gato hidráulico, el freno hidráulico, bombas de agua y presas; por lo que se podría decir que el hecho de que tengamos agua en nuestras casas es debido a la estática.

Otro uso de la estática en nuestra vida diaria que considero muy importante, es cuando se pone en órbita un satélite: a través del equilibrio entre la fuerza centrífuga del satélite con la fuerza de gravedad ejercida en el espacio, es posible mantener al satélite siempre en la misma altura. ¿Pero por qué es muy importante este ejemplo? Muy fácil, ya que a través de los satélites artificiales recibimos nuestra tan preciada señal de televisión.

¿Te habrías imaginado que el estudio de los cuerpo estáticos, sin movimiento sería tan basto y con tantas aplicaciones?  

Gracias Newton, gracias por tu estática.