El saltador d'Hiroshima

Guia del professorat

Antecedents

Per construir aquest objecte hem fet servir una referència de la revista Investigación y Ciencia ( 12-2003) . Aquest saltador es troba al Museu de la Ciència del parc de la Pau de Hiroshima . El seu moviment imita el d’un escarabat saltador. Nosaltres hem estudiat una mica més el moviment i hem proposat una evolució que millora el salt aconseguit.

Introducció

En aquest treball pràctic expliquem com podem construir un saltador de Hiroshima, només necessitem una mica de cartró i una goma elàstica. L’estudi del moviment d’aquest objecte que salta el podem relacionar amb l’estudi de la dinàmica del salt d’altura olímpic. D’aquesta manera posem la física en context. L’observació i l’estudi del funcionament del saltador ens permet utilitzar els conceptes físics següents i aprofundir-hi:la tercera llei de Newton, la conservació de la quantitat de moviment, l’impuls mecànic, el xoc parcialment elàstic, el coeficient de restitució, l’energia potencial elàstica i l’energia potencial gravitatòria.

Objectiu

Es tracta de veure amb un senzill instrument com es transforma l’energia potencial elàstica en energia potencial gravitatòria i finalment en energia cinètica. En els processos de xoc la forma i l’elasticitat dels objectes adquireixen molta importància en les velocitats finals.

Material

Tisores, cartró, regle i cinta mètrica, cinta aïllant, goma elàstica de 12 mm x 2 mm de secció i llargada per poder fer dues voltes.

   

Procediment experimental

Es tracta de retallar dues peces de cartró com les de la figura 4 que tenim a la dreta, i després unir-les amb cinta aïllant, com a la figura 5, però permetent que es pugui moure com una junta d’una frontissa.

En la figura 5 podem veure com hem de posar la goma perquè el saltador funcioni, les línies puntejades indiquen que la goma va pel darrerei les contínues que la goma va pel davant.
El següent pas consisteix a plegar el saltador i deixar-lo anar, amb la qual cosa farem que l’energia potencial del ressort es transformi en energia cinètica i en potencial gravitatòria.
Una altra alternativa en la construcció consisteix a aprofitar els plecs que tenen les caixes de cartró i retallar la figura doble de manera que la frontissa coincideixi amb el plec de la capsa.

   

El salt d'altura;com funciona un saltador

En el salt d’altura els saltadors prenen embranzida horitzontalment, però finalment han d’aconseguir una velocitat vertical considerable. Per aixecar el seu baricentre 1 m cal una velocitat inicial de . Per saltar, l’atleta s’impulsa amb el terra, de manera que la força elàstica del mecanisme de la cama es transforma en força de reacció del terra. També ho podem visualitzar com una mena de xoc coherent entre el peu de l’atleta i el terra. Quan diem xoc coherent, volem dir que el peu de l’atleta s’impulsa d’una manera intel·ligent i molt ben coordinada amb el terra de manera que la força de reacció del terra s’utilitza per enlairar-se cap amunt en busca de la marca. El rendiment mecànic del saltador d’altura és espectacular, un atleta de 80 kg, que accelera verticalment en un temps de 0,2 s desenvolupa una potència de o 5,3 CV. En el conjunt del salt la força elàstica proporcionada per la cama provoca la força de reacció del terra i és aquesta la que proporciona la potència per enlairar-se. El factor del xoc té la seva importància en el procés, ja que els atletes només utilitzen l’energia elàstica d’una cama per concentrar tota la massa en un punt i aconseguir un xoc més eficient. En els vídeos del rècord del món en càmera lenta podem observar aquest fet. Aquí podem veure el vídeo del rècord mundial de Javier Sotomayor(en realitat, el reglament oficial del salt d’altura obliga els atletes a enlairar-se amb un sol peu,però). Una qüestió interessant que podem proposar de pensar als alumnes és comprovar què passaria si els saltadors utilitzessin les dues cames en el moment del salt.

   

b) Disminuint la superfície del saltador que xoca amb el terra.

Ens hem fixat que els cossos elàstics, com les boles de billar, les xinel•les de goma i altres, presenten una superfície de contacte molt petita o puntual, de manera que proposem retallar la frontissa per veure si millora el salt. Esquemàticament proposem el que es mostra a la figura 13.

 

   

Aquesta segona part de la pràctica es pot desenvolupar com un treball cooperatiu, de manera que cada grup fabrica un saltador amb una mida de frontissa concreta i al final es posen els resultats en comú per treure’n conclusions.

En la figura 14 podem veure un exemple de com s’ha anat reduint la longitud de l’eix de xoc.

   

En el vídeo següent ( feu clic a la figura 15) podem veure l’enlairament i l’altura màxima aconseguits per diferents saltadors.

Conclusions

A partir dels resultats veiem que, en efecte, l’eficàcia del salt depèn de la superfície amb què impacta el saltador, és a dir, el coeficient de restitució depèn de les característiques de les dues superfícies que hi intervenen.
En la segona part podem veure que l’altura aconseguida depèn de forma molt acusada de la superfície d’impacte. A la pràctica també s’observa que a mesura que l’eix és més petit, suporta un esforç mecànic més gran i hem de canviar més sovint la cinta que fa de frontissa.