Montaña rusa
Montaña rusa
Registrar las fuerzas G, la velocidad angular y la presión atmosférica durante un recorrido en una atracción para analizar la física de los parques de atracciones.
¡Los parques de atracciones son verdaderos laboratorios de física al aire libre! Cada montaña rusa, cada noria, cada silla voladora ilustra principios fundamentales de la mecánica. En este experimento, vas a transformar tu smartphone en laboratorio de bolsillo y registrar todas las fuerzas que actúan sobre ti durante un recorrido en una atracción.
Descripción de la actividad:
El alumno registra simultáneamente las fuerzas G, la velocidad angular y la presión atmosférica durante un recorrido en una atracción de un parque de atracciones. De vuelta en clase, analiza los datos para identificar las fases de aceleración, los momentos de ingravidez y las fuerzas centrípetas en los bucles.
FizziQ
Autor:
Duración:
30-60 minutos
Lo que harán los estudiantes:
'- Registrar y analizar datos multi-sensores durante un movimiento complejo
- Identificar las fuerzas G y relacionar las sensaciones corporales con las magnitudes físicas
- Reconstruir un perfil de altitud a partir de mediciones barométricas
- Aplicar la conservación de la energía mecánica a un caso real
Conceptos científicos:
'- Fuerza centrípeta y aceleración centrípeta
- Ingravidez
- Energía potencial y cinética
- Conservación de la energía mecánica
- Inercia
- Leyes de Newton
- Velocidad angular
Sensores:
'- Acelerómetro (Fuerzas G)
- Giroscopio (velocidad angular)
- Barómetro (presión atmosférica)
Material necesario:
'- Smartphone o tableta con FizziQ (o una aplicación equivalente como phyphox que permita la adquisición de los datos del acelerómetro con un smartphone)
- Un bolsillo con cremallera o un brazalete seguro para el teléfono
- Acceso a un parque de atracciones o una feria
Procedimiento experimental:
Avant la sortie, configure FizziQ pour enregistrer simultanément : les forces G (accéléromètre), la vitesse angulaire (gyroscope) et la pression atmosphérique (baromètre).
Sécurise ton smartphone dans une poche zippée ou un brassard bien serré. Le téléphone ne doit absolument pas tomber ! Vérifie que l'enregistrement fonctionne avant de monter.
Lance l'enregistrement juste avant le d épart du manège.
Profite du trajet ! L'enregistrement se fait automatiquement.
Arrête l'enregistrement dès la fin du tour.
De retour en classe, ouvre les données et identifie les différentes phases du parcours sur le graphique des forces G.
Repère les moments où la force G dépasse 1g (fond des boucles, virages serrés) et les moments où elle descend sous 1g (sommet des bosses, descentes rapides).
Cherche les instants où la force G est proche de 0g : ce sont les moments d'apesanteur, au sommet des collines à grande vitesse.
Utilise les données du baromètre pour reconstruire le profil d'altitude du parcours. Compare-le à une photo ou un schéma de l'attraction.
Pour chaque boucle ou virage, calcule l'accélération centripète et estime le rayon de courbure : R = v²/a, où v est estimée à partir de la conservation de l'énergie.
Resultados esperados:
Las fuerzas G varían típicamente entre 0g y 3g en una montaña rusa clásica (hasta 4-5g en las atracciones extremas). Los momentos de ingravidez (airtime, 0g) corresponden a la cima de las colinas tomadas a gran velocidad. El perfil de altitud reconstruido a partir del barómetro reproduce fielmente el recorrido de la atracción.
Preguntas científicas:
'- ¿Por qué nos sentimos más pesados en el fondo de un descenso y más ligeros en la cima de una subida?
- ¿Cuál es la velocidad mínima para pasar por la parte superior de un looping sin caer?
- ¿Por qué los bucles de las montañas rusas no son perfectamente circulares?
- ¿Cómo afectan los rozamientos a la conservación de la energía a lo largo del recorrido?
Explicaciones científicas:
Las fuerzas G medidas por el acelerómetro corresponden a la relación entre la fuerza normal (la fuerza que el asiento ejerce sobre el pasajero) y el peso. Cuando G = 1, el pasajero siente su peso normal; G = 0 corresponde a la ingravidez; G = 2 significa que siente el doble de su peso.
En la parte superior de un bucle vertical, la aceleración centrípeta se dirige hacia abajo. Para que el pasajero no caiga, la velocidad mínima es v_min = √(gR), donde R es el radio del bucle.
La forma de clotoide permite reducir las fuerzas G en la parte superior manteniendo la seguridad. El radio de curvatura disminuye progresivamente, lo que suaviza las transiciones.
La conservación de la energía mecánica (despreciando los rozamientos) permite estimar la velocidad en cualquier punto del recorrido si se conoce la diferencia de altitud: v = √(2gΔh).
Por eso la primera bajada es siempre la más alta: fija la energía total del sistema. Cada colina siguiente debe ser más baja ya que los rozamientos disipan progresivamente la energía.
El giroscopio mide la velocidad angular, lo que permite identificar los loopings y las curvas. Una velocidad angular elevada combinada con una fuerza G elevada indica un bucle.
La sensation de lourdeur dans les creux s'explique par le fait que le siège doit exercer une force vers le haut supérieure au poids pour créer l'accélération centripète dirigée vers le centre de la courbure.
Inversement, au sommet d'une bosse, la gravité fournit déjà une partie de l'accélération centripète, et le siège pousse moins fort : on se sent plus léger, voire en apesanteur si la vitesse est suffisante.
Actividades de ampliación:
'- Comparar los datos de diferentes atracciones: noria, silla voladora, torre de caída libre
- Estimar la potencia disipada por los rozamientos comparando la energía al inicio y al final del recorrido
- Calcular el radio de curvatura en cada punto del recorrido
- Realizar la misma medición en una montaña rusa diferente para comparar
Preguntas frecuentes:
Q: ¿Es peligroso para el smartphone?
R: No, si el teléfono está correctamente asegurado en un bolsillo cerrado o un brazalete. Las fuerzas G son las mismas que las sufridas por el pasajero.
Q: ¿El parque de atracciones autoriza los smartphones en las atracciones?
R: La política varía según los parques. Consulta las normas antes de la visita.