720 Zigzagueando con la Física

XXII CONGRESO DE INVESTIGACIÓN
Título: Zigzagueando con la Física
Autores: Marco Antonio Ángel Galván y Juanfernando Ortiz Gallego
Profesores-Asesores: Mónica Guadalupe Borja Gallegos y Rubén Becerril Fonseca
Escuela de procedencia: Colegio Anglo Americano Lomas
Área: Ciencias Físico-Matemáticas
Antecedentes
En algún momento al observar el mar, miramos a personas que navegan en veleros y que, sin necesidad de
motores, se mueven y recorren una trayectoria. Nuestra lógica nos sugiere que si queremos trasladarnos con un
velero el aire debe soplar hacia el lugar al que queremos ir, sin embargo, podemos viajar casi en cualquier
dirección con el velero sin importar hacia donde sopla el viento. Simplemente se coloca la vela en la dirección
adecuada. El lugar al que deseamos trasladarnos puede encontrarse en dirección contraria al viento y podemos
llegar a él haciendo zigzag con el velero. La persona que manipula el velero no necesariamente debe saber
matemáticas o física o ser ingenieros o similares, pues solo se guían por su instinto para dirigirse al lugar que
deseen.
En nuestra vida cotidiana estamos en contacto con magnitudes, direcciones y sentidos, es decir, estamos en
contacto con los vectores, por ejemplo, al tener una soga que sujeta una piñata, al conducir un vehículo, al
orientar a una persona, al ejercer fuerzas y presiones en algún juego como las coleadas, etc. Además,
encontramos resultantes, es decir, sumamos y restamos vectores sin darnos cuenta de que esto son las
operaciones con vectores. También hemos experimentado u observado el principio de Bernoulli, por ejemplo,
en el vuelo de los aviones, también al ir en carretera en un auto pequeño o una bicicleta y nos rebasa algún
vehículo de mayor tamaño a gran velocidad, sentimos que el vehículo nos “jala” hacia él.
Nuestro estudio va encaminado a entender y explicar el movimiento, trayectoria y acciones de un velero usando
vectores y el principio de Bernoulli, así como todos los elementos que un velero necesita para realizar su
movimiento.
Objetivo
Explicar, identificar e investigar las componentes del desplazamiento de un velero de forma sencilla.
Metodología
Un velero se mueve debido a la acción del viento. Sin embargo, uno podría preguntarse cómo es que no todos se
mueven en la dirección hacia la que sopla el viento; para esto, primero mencionamos las características y
elementos de un velero, después se plantean tres problemas para explicar el movimiento del velero y en cada
uno de ellos identificando gráficamente las fuerzas involucradas y el principio de Bernoulli, en caso necesario.
Primer problema:

Cuando se quiere recorrer distancias y el viento está a favor.
Segundo problema:

Cuando se quiere recorrer distancias y el viento sopla de forma perpendicular al movimiento.
Tercer problema:

Cuando se quiere recorrer distancias y el velero está en contra del viento, es decir, en dirección paralela.
Marco teórico
Un vector se define como una cantidad física que tiene magnitud, dirección y sentido; ejemplos de ellos son:
desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, presión, campo eléctrico, etc. Si se aplican dos o más vectores
sobre un mismo punto el efecto final es el mismo que aplicar un solo vector llamado resultante.
En nuestro alrededor están presentes todas estas cantidades físicas que de alguna forma actúan con todo lo que
nos rodea, por ejemplo, la Tierra está rodeada de un océano de aire y constituida en gran parte de agua, así
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como el agua de los mares presiona en todas direcciones contra todo lo que se encuentra por debajo de ella, el
aire presiona contra todo lo que toca.
El físico suizo Daniel Bernoulli descubrió que la presión de un líquido que fluye por una tubería es baja si su
velocidad es alta y, por el contrario, es alta si su velocidad es baja, y como la ley de conservación de la energía
se cumple, Bernoulli enunció su principio que dice: “En un fluido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de
las energías cinéticas, potenciales y de presión que tiene el fluido en un punto, es igual a la suma de estas
energías en otro punto cualquiera”.
El descubrir que a medida que es mayor la velocidad de un fluido, menor es su presión y viceversa, ha
permitido al hombre encontrarle varias aplicaciones prácticas como el navegar en un velero en contra del
viento.
Las velas están diseñadas para que con el viento tomen una forma convexa y sea similar al ala de un avión, esta
forma permite usar el efecto Bernoulli para generar una fuerza o empuje. Cuando la corriente de aire fluye, ésta
se divide en dos, y la parte que debe pasar por fuera de la curva debe recorrer en el mismo tiempo una mayor
distancia que la parte que pasa por dentro de la curva (esto es una exigencia del principio de conservación de la
energía aplicado a las moléculas de aire en movimiento), por lo cual el aire que pasa por fuera debe hacerlo a
mayor velocidad que el que pasa por adentro. El aire ejerce menor presión cuanto más rápido se mueve, por lo
que la presión en la parte de afuera será menor a la presión en la parte de adentro, con lo que se producirá una
fuerza neta de un lado al otro que tenderá a mover el velero.
Desarrollo
Uno pensaría que con solo una tabla y una tela podríamos hacer navegar cualquier “barquito”, esto no siempre
es cierto, pues podría voltearse, para ello las personas que se dedican a diseñar velero colocaron en la parte de
abajo una “tabla” llamada quilla (keel) que contrarresta las fuerzas laterales que el velero recibe. Por ello las
partes importantes a las que nos referiremos son la vela y la quilla.
Como mencionamos antes, un velero se mueve debido a la acción del viento y puede ocurrir:
Cuando el viento sopla paralelo al velero
Tomemos un velero de una vela. Si buscamos avanzar en dirección del viento, simplemente, se coloca la vela de
forma perpendicular a la dirección en que nos queremos mover y tenemos nuestro objetivo cumplido.
Viento
Vela
Cuando se quiere mover de forma perpendicular a la dirección del viento
Se coloca la vela de forma que el viento sople en una posición oblicua, con lo que la fuerza ejercida en la
dirección en que sopla sea igual a la que ejerce el agua al presionar la quilla del velero, por lo que la única
fuerza es la ejercida de forma perpendicular.
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Viento
Quilla
Fuerza de
la quilla
Fuerza sobre
la vela
Vela
Cuando se quiere avanzar en contra del viento
Esto no es posible directamente. Sin embargo, podemos avanzar en una dirección diagonal y posteriormente
cambiar de lado, es decir, zigzagueando, de forma que se realice un avance en contra del viento. En este caso, si
se coloca correctamente la vela, el viento sopla de ambos lados de la vela. Pero la fuerza de la quilla
contrarresta la fuerza que aplica el viento en dirección opuesta a la que nos dirigimos, por lo que sólo nos
movemos hacia donde apunta el velero, debido a que la vela hace la misma función que un ala de avión.
Resultados
Los tres problemas nos permiten clarificar el movimiento del velero, observamos que las fuerzas resultantes son
las que logran el objetivo de movimiento.
El problema dos y tres además de involucrar teoría de vectores, se involucra una aplicación del principio de
Bernoulli que gracias a él se entiende la existencia de la fuerza que permite que el velero se mueva en la
dirección que se desea.
El entender el principio de Bernoulli para observar que se obtiene una fuerza resultante fue lo que más nos
impacto y sobre todo la importancia de ver la relación entre la velocidad y presión existentes.
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Conclusiones
Concluimos que el realizar ejemplos de vectores y del principio de Bernoulli nos simplificaba entender y
explicar nuestro objetivo; algunos fueron:



Al explicar lo que es una resultante de vectores se nos ocurrió dar como ejemplo el juego de coleadas, el
empujar varias personas en diferentes direcciones y al mismo tiempo una mesa y el sostener una piñata
al tratar de romperla.
Al realizar experimentos para entender el efecto Bernoulli nos topamos con que la intuición en los
resultados obtenidos no nos los esperábamos; estos mismos experimentos los mostramos a compañeros,
profesores y padres de familia, preguntando de antemano que esperaban que sucediera y las respuestas
eran variadas; fue una experiencia agradable.
Y por último, explicar nuestro proyecto involucrando vectores con el efecto Bernoulli fue más sencillo.
Muchas veces sólo vemos fenómenos y damos explicaciones que nos son ciertas por simple “lógica” pero al
estudiar más nos damos cuenta de que el estudiar a fondo y ver modelos que se han propuesto tienen la razón de
lo que sucede en nuestro entorno.
Bibliografía
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Tippens, Paul E. (2001), Física. Conceptos y aplicaciones. Mc Graw-Hill. México.
Driver, Rodney D. (1984), Why Math? Springer-Verlag, New York, Inc.
Pérez, Héctor (1997), Física general. Publicaciones Cultural, S.A. de C.V.
Bernoulli Effect-Science Theater 17
http://www.youtube.com/watch?v=olVJzVadiFs&NR=1&feature=fvwp
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