La Cuna de Newton, también conocida como Péndulo de Newton o esferas de Newton, es uno de los juguetes de escritorio más famosos y un dispositivo clásico de la física.
Este sistema está formado generalmente por un número impar (como 5 o 7) de péndulos que pueden colisionar entre ellos de forma casi elástica. Los péndulos consisten en unas bolas esféricas rígidas de igual tamaño y masa, colgadas por medio de dos hilos de igual longitud y mismo ángulo de inclinación, de manera que todas ellas están en contacto y alineadas.
El nombre del juguete es un homenaje al científico y matemático Isaac Newton, ya que se utiliza para demostrar, de manera muy gráfica, las leyes del movimiento, más conocidas como las Leyes de Newton, y especialmente el Principio de conservación del movimiento.
Historia y curiosidades del Péndulo de Newton
El Péndulo de Newton fue inventado en 1967 por el actor inglés Simon Prebble. Ha sido un popular juguete de escritorio desde su invención.
El péndulo de Newton más grande del mundo fue diseñado por Chris Boden y es propiedad de The Geek Group. Se encuentra en Kalamazoo, Michigan (EE.UU.) y es utilizado para demostraciones tecnológicas y científicas. Consiste en un conjunto de 20 esferas idénticas con un peso de 6,8 kilogramos (15 libras) cada una, suspendidas de cables de metal apuntalados al techo con unos cables de 6,1 metros.
Fundamentos Físicos: Conservación de la Energía y el Momento
La Cuna de Newton está basada en la ley de transferencia de energía. La naturaleza de esta teoría describe cómo la energía no se crea o se destruye, sino que pasa de un cuerpo físico a otro. El hecho de que el péndulo de Newton funcione sin alimentación externa demuestra en parte esta teoría de la manera más sencilla posible.
Una de las leyes que demuestra es la ley de la conservación de la energía, que afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo cambiar. El péndulo de Newton también puede utilizarse para demostrar de forma sencilla la conservación de la cantidad de movimiento o momento lineal en colisiones casi elásticas.
¿Qué es la Energía?
La energía es movimiento, es la capacidad para moverse. Todo lo que se mueve, todo lo que puede moverse por sí solo o que puede hacer que algo más se mueva, tiene energía. La energía se puede pasar de un objeto a otro y hasta puede estar almacenada.
- Cuando un agente externo (por ejemplo, tu mano) cambia de lugar a una de las esferas, esta modifica su posición con respecto a la Tierra, provocando una ganancia en su energía potencial gravitacional.
- Al soltar la esfera, irá perdiendo altura, pero ganará velocidad hasta que llegue a la parte más baja de su trayectoria. Esto significa que al perder energía potencial gravitacional, gana energía de movimiento o energía cinética.
Un péndulo es como una canica cayendo por una pendiente. Al caer toma velocidad, luego camina por una parte plana y por el impulso puede subir. Mientras va subiendo pierde energía o movimiento y gana altura, es decir, energía en reposo. Cuando un péndulo se mueve va perdiendo fuerza y hace recorridos cada vez más cortos. Esto sucede porque el aire que lo rodea lo va frenando. Todo objeto que está quieto necesita de energía para empezar a moverse. Pero una vez que tiene movimiento, continúa moviéndose y solo se detiene al recibir otra fuerza o energía en sentido contrario.
Funcionamiento del Péndulo de Newton
Al elevar una de las esferas de los extremos hasta una altura dada y soltarla, esta volverá a su posición original y golpeará a la esfera contigua. Un instante después, se observará que la esfera del extremo opuesto ¡sale disparada!
La segunda esfera seguirá moviéndose en la dirección del golpe hasta llegar a una altura máxima, después volverá a su lugar, provocando que esta vez salga disparada ¡la esfera original!, aunque a una altura menor que al principio. Este proceso continuará un rato, aunque se observará que después de cada golpe, la altura de las esferas en movimiento será cada vez menor, hasta que se detenga por completo.
Cuando la esfera incidente llega a su posición original, una parte de la energía de movimiento se perderá en forma de sonido (por el choque con la esfera contigua), aunque la mayor parte de la energía se irá transfiriendo de esfera a esfera, hasta alcanzar la esfera del extremo opuesto, transfiriéndole suficiente energía para ponerla en movimiento. Esta situación se repetirá, desgastando poco a poco la energía del sistema hasta llevarlo al reposo.
Experimentando con Múltiples Esferas
La verdadera diversión viene cuando se provoca el movimiento de dos, tres o cuatro esferas al mismo tiempo:
- En caso de elevar y soltar dos de las esferas simultáneamente, el movimiento será similar al anterior, solo que en este caso saldrán disparadas dos esferas en cada colisión.
- Lo mismo sucederá con tres o cuatro esferas. Este cuestionamiento se puede explicar mencionando que, dependiendo de la masa del conjunto de esferas y de la velocidad que adquieran antes de chocar con el resto, se transferirá una cierta cantidad de movimiento, la cual se conservará a lo largo del movimiento. De modo que el momento de dos esferas se transferirá a dos esferas en todo el trayecto impulsando a dos esferas, y así sucesivamente.
- Se puede experimentar desplazando simultáneamente las dos bolas de los dos extremos (con igual ángulo). Al soltar, observaremos cómo tras la colisión, las otras tres bolas centrales permanecen en reposo y las bolas de los extremos regresan a su posición inicial (aproximadamente recuperando el mismo ángulo).
Física I Lección 16F Demostración con la Cuna de Newton
Construcción de un Péndulo de Newton Casero
El péndulo de Newton es uno de los experimentos más visuales y conocidos para demostrar cómo se transfiere la energía entre objetos. Aquí aprenderás a construir un péndulo de Newton casero:
- Recorta un rectángulo de cartón pluma o cartón grueso de aproximadamente 25 × 15 cm.
- Pega un palito más en la parte superior del cubo, de lado a lado, justo en el centro.
- Corta cinco trozos de hilo del mismo largo (unos 10 cm).
- Pega el otro extremo de cada hilo al travesaño, alineándolas de manera que queden ligeramente tocándose entre sí y todas a la misma altura. Este paso es clave para que el péndulo funcione correctamente.
- Asegúrate de que el montaje esté estable y las canicas puedan oscilar sin obstáculos.
Para poner en marcha el experimento, basta con levantar una de las canicas de un extremo y soltarla. Al impactar con la canica siguiente, la energía y el impulso se transmiten a través de todas, haciendo que la última del otro extremo se mueva con la misma fuerza. Para que el sistema funcione correctamente, es fundamental que todas las canicas tengan la misma masa y estén perfectamente alineadas. Solo así se logra una transmisión precisa de la energía sin interferencias.