Cadena que se acelera gracias a colisiones internas: compresión que causa tensión

EN LOS LIBROS de texto de física, ingeniería, matemáticas o química encontramos muchos problemas estándar resueltos. Estos ejemplos nos muestran una forma de buscar respuestas usando un pensamiento científico. Puede ser gratificante encontrar la solución que el libro sugiere, y es más emocionante cuando encontramos soluciones alternas a las del libro de texto. Tal es el caso del problema de una cadena cayendo sobre un montón de eslabones que tocaron el piso con anterioridad: ¿el eslabón que acaba de tocar la pila de eslabones estáticos afecta la velocidad de caída del resto de eslabones en movimiento? (mira la figura del problema). De acuerdo con el consenso general, la caída de la cadena es indiferente a los eslabones que tocan piso.

Sin embargo, Annop Grewal y amigos de la Universidad de Cornell en N.Y., creen que hay situaciones en que puede ser diferente esta respuesta. Hay casos donde el eslabón en contacto con el piso sigue interactuando con el resto de eslabones y puede jalarlos hacia abajo, aumentando la velocidad de caída de la cadena completa.

Ellos realizaron un modelo mecánico donde el largo del eslabón presenta un ángulo con la horizontal. De modo que un lado del eslabón toca el piso antes que el otro extremo. Al impactar con el piso, el eslabón ejerce efecto de pivote: una torca –una fuerza que depende del largo del eslabón y dicho ángulo– que jala hacia abajo al resto de los eslabones. De tal modo que esta cadena particular puede caer más rápido si toca piso que si cae libremente.

final de fotografía de esta carrera
entre cadenas 

Efectivamente, además de hacer las cuentas, ellos construyeron dos cadenas idénticas de palitos unidos con hilo, cada palito presenta un ángulo con la horizontal que se alterna con en el siguiente eslabón, mira la figura. Al dejar caer al mismo tiempo ambas cadenas, una impacta de lleno sobre una mesa (izq. de la figura); resultado que el final de esta cadena cae más rápido que su gemela en caída libre (der. de la figura). Mira experimento grabado con una cámara de alta velocidad.

De cierto que en una cadena ordinaria este efecto no se observa, pero el efecto es notable en esta cadena que parece una cuerda de tendedero con pinzas.

La realización de este experimento como su discusión teórica es interesante como proyecto semestral para estudiantes que inician sus estudios de física en una licenciatura. los detalles de este trabajo se pueden consultar en la revista oficial o puedes leer el borrador del artículo. En cualquier caso, tenemos un caso donde aún un libro de texto se puede complementar o corregir, así es la ciencia, es una caja abierta a la mejora continua. Como en el caso de los láseres... pero esa es otra historia para el blog.

Imágenes sucesivas del experimento con de las dos cadenas al dejarlas caer 

Ref.

Grewal, A., Johnson, P., & Ruina, A. (2011). A chain that speeds up, rather than slows, due to collisions: How compression can cause tension American Journal of Physics, 79 (7) DOI: 10.1119/1.3583481