Física

¿Cuál es la física detrás de las pelotas que rebotan?

¿Cuál es la física detrás de las pelotas que rebotan?


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Todos podemos mirar hacia atrás en nuestros recuerdos de la infancia y encontrar de alguna forma o moda una pelota que rebota. Ya sea jugando al aro con amigos o lanzando una pelota de tenis contra la pared mientras estábamos castigados, todos hemos jugado con estos juguetes que rebotan.

Si bien para la mayoría de las personas, las bolas son objetos bastante sencillos, en realidad sirven como un trampolín interesante para aprender sobre muchos fenómenos físicos interesantes. Aceleración, velocidad, energía; puedes aprenderlo todo cuando empieces a ver la física detrás de las pelotas que rebotan.

En cualquier rebote de pelota, hay esencialmente siete etapas en las que se puede dividir la acción durante su movimiento, antes, durante y después de que se examine el impacto.

Analicemos la física de las pelotas que rebotan.

Para empezar, veremos las siete etapas simplificadas del rebote de una pelota ignorando cualquier fuerza externa que no sea la gravedad. Desglosaremos cada paso en detalle a continuación con ecuaciones, pero si necesita una imagen más profunda, el video a continuación también lo desglosará.

Etapa 1: caída

La primera etapa es el inicio de cada rebote de pelota, donde la energía potencial de la altura de la pelota se convierte en energía cinética a través de la aceleración debido a la gravedad. En un caso simplificado, la bola cae en línea con la fuerza de gravedad, que siempre apunta directamente hacia abajo. En la Tierra, esta aceleración debida a la gravedad es de 9,8 m / s.(g = 9,8 m / s2). Esto significa, en esencia, que por cada segundo de caída, la velocidad de la pelota se acelerará en 9,8 m / s.

Etapa 2: contacto inicial

La fase de contacto inicial es solo eso; cuando la pelota apenas hace contacto con la superficie del suelo. Continuará cayendo bajo la influencia de la aceleración gravitacional, pero ahora, una fuerza normal de la superficie del suelo, opuesta a la fuerza debida a la gravedad, actuará sobre la bola. Etapa 3: Deceleración / aceleración negativa.

Después del impacto inicial, la pelota se desacelera rápidamente o, más bien, acelera en dirección negativa. La velocidad de la pelota todavía apunta hacia abajo a medida que se deforma, pero la aceleración de la pelota comienza a apuntar hacia arriba a medida que las fuerzas de la reacción superan la gravedad. Todo esto significa que la pelota está empujando el suelo con una fuerza mayor que su propio peso, por lo que la aceleración debe apuntar hacia arriba.

Etapa 4: deformación máxima

Después de la etapa de desaceleración, la bola ha alcanzado la deformación máxima. En este punto, la velocidad es cero y el vector de aceleración apunta hacia arriba. Este es el punto más bajo de la bola, así como su punto deformado máximo. Si asumimos que la pelota es totalmente elástica e ignoramos otras pérdidas de energía como el sonido y el calor, entonces la pelota rebotaría hasta su altura de caída original después de este punto.

Etapa 5: rebote inicial

Esta etapa comienza el viaje de la pelota de regreso a donde comenzó. Sus vectores de velocidad y aceleración apuntan en la misma dirección, lo que significa movimiento hacia arriba. La bola está menos deformada que la etapa de deformación máxima y, debido a su elasticidad, ahora empuja contra la superficie con una fuerza mayor que su propio peso. Esto es lo que hará que la pelota rebote hacia arriba.

Etapa 6: Rebote de contacto cero

En el rebote de contacto cero, la pelota ya no se deforma y apenas toca la superficie, esencialmente solo en un punto. La velocidad mueve la pelota hacia arriba, pero en este punto, la aceleración cambia para oponerse al vector de velocidad.

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Esto se debe a que ya no existe ninguna fuerza de la elasticidad de la pelota que empuja la superficie, lo que le da una aceleración hacia arriba. La aceleración debida a la gravedad, que tira hacia abajo, será ahora la única fuerza que actuará sobre la pelota en un sistema perfecto.

Etapa 7: Rebote completo

Con el rebote completo, la pelota ha abandonado la superficie y su vector de velocidad todavía apunta hacia arriba, aunque se contrae constantemente debido a la aceleración o desaceleración debida a la gravedad. Después de este paso, la pelota alcanza el pico en un nuevo paso, uno donde su vector de velocidad es cero y la única fuerza que actúa sobre él es la gravedad.

Variables agregadas y casos especiales en la física de la pelota que rebota

El caso de la pelota que rebota arriba se simplificó para eliminar cualquier otra fuerza como la resistencia del aire, la elasticidad imperfecta, el giro, la fricción y la fuerza de un lanzamiento inicial, entre otras. Todo esto significa que la física de la pelota que rebota se vuelve más complicada a partir de aquí.

Cuando las bolas tienen algún giro, como suele ocurrir cuando se lanzan, y cuando la superficie sobre la que golpean no está libre de fricción, el giro de la bola se invierte de antes al después del impacto. Esto se debe a la fuerza de fricción. Suponiendo 2 dimensiones por el bien de la teoría, puede observar la reacción a continuación.

Cuando la pelota impacta con un giro en una dirección, la fuerza de fricción F contrarresta el giro de la pelota. O más bien, la fuerza de fricción siempre es opuesta a la dirección de la velocidad de deslizamiento entre la bola que gira y la superficie. Dado que la fuerza de fricción es opuesta al giro de la pelota, esta torce la pelota en la otra dirección. También hace que la trayectoria del rebote de la pelota se desvíe en la dirección de la fuerza de fricción. En términos simplificados, cuando una pelota gira en una dirección cuando golpea una pared, la fricción entre la pelota y la pared supera tanto el giro que invierte su dirección de giro.

Esta inversión de giro no ocurre si la bola y el coeficiente de fricción de la pared no son lo suficientemente altos. El coeficiente de fricción varía según el material y la superficie y es esencialmente un número que indica qué tan adherente es una superficie o material.

En escenarios no ideales de la vida real, las pelotas que rebotan pierden energía y finalmente se detienen. Todo esto se debe a las fuerzas que ignoramos en el primer ejemplo. Cuando una pelota golpea una pared o superficie, hace un ruido, que es una pérdida de energía por el rebote de la pelota. También generará cierta cantidad de calor, otra pérdida de energía. La fricción de la pared provocará pérdida de energía y resistencia del aire mientras la bola se desplaza. En esencia, la pelota nunca tendrá tanta energía potencial o cinética como la que tenía justo después de ser lanzada o justo antes de golpear una superficie, según el escenario.


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