Balística y rozamiento

Comparar la trayectoria de un proyectil con y sin resistencia del aire para comprender el efecto de los rozamientos en el alcance y la forma de la trayectoria.

En los cursos de física, se estudia a menudo el movimiento de los proyectiles « despreciando la resistencia del aire ». ¿Pero cuál es el efecto real del aire sobre un proyectil? La simulación Balística de FizziQ Web permite activar o desactivar la resistencia del aire para comparar directamente las trayectorias y cuantificar el efecto de los rozamientos.

Visão geral da atividade:

El alumno realiza tiros en la simulación Balística de FizziQ Web, primero sin resistencia del aire y luego con ella, manteniendo los mismos parámetros. Compara las trayectorias superpuestas y mide los alcances para cuantificar el efecto de los rozamientos.

FizziQ

Autor:

Duração (minutos):

30

O que os alunos farão:

'- Comparar las trayectorias de un proyectil con y sin resistencia del aire
- Observar la asimetría de la trayectoria en presencia de rozamientos
- Comprender por qué la masa no interviene sin aire pero se vuelve importante con aire
- Identificar los límites del modelo parabólico ideal

Conceitos científicos:

'- Resistencia del aire (fuerza de arrastre)
- Trayectoria parabólica vs trayectoria real
- Fuerza proporcional al cuadrado de la velocidad
- Influencia de la masa sobre el movimiento con rozamientos
- Modelo ideal y límites

Sensores:

'- Simulación Balística de FizziQ Web

Materiais necessários:

'- Ordenador, tableta o smartphone con FizziQ Web

Procedimento experimental:

Ouvre la simulación Balistique en FizziQ Web. Règle la velocidad initiale à 25 m/s y l'angle à 45°.
Désactive la resistencia del aire. Lance un tir (REC). Observa la trayectoria y note el alcance en le cuaderno de experiencias.
Sans changer les paramètres, active la resistencia del aire. Lance un nouveau tir. La deuxième trajectoire se superpose à la première en une couleur différente.
Compara les deux trajectoires : quéle es la différence de portée ? La trajectoire con air est-elle symétrique comme la parabole ?
Avec la resistencia del aire activée, réalise une série de tirs à différents angles (30°, 35°, 40°, 45°, 50°). Pour qué angle el alcance est-elle maximale cette fois ?
Reviens à l'angle de 45°. Effectue un tir con une masse faible, puis un autre con une masse élevée (si le paramètre es disponible). Compara les portées.
Désactive la resistencia del aire y refais la comparaison des deux masses. La portée change-t-elle cette fois ?
Registra tus resultados en un tableau : para chaque condition (avec/sans air, masse faible/élevée), note l'angle, la velocidad initiale y el alcance.
Traza les trajectoires con y sans air para le même angle y décris les différences : forme, portée, hauteur maximale, point d'impact.
Rédige une conclusion sobre l'effet de la resistencia del aire : por qué dit-on que c'est une bonne approximation de la négliger para des objets lourds à faible vitesse, mais pas para des objets légers à grande vitesse ?

Resultados esperados:

Sin aire, la trayectoria es una parábola simétrica y el alcance a 45° vale R = v₀²/g ≈ 63,8 m para v₀ = 25 m/s. Con resistencia del aire, el alcance disminuye significativamente (30 a 50 m según los parámetros). La trayectoria ya no es simétrica: la fase descendente es más empinada que la fase ascendente.

Questões científicas:

'- ¿Por qué la masa no influye en la trayectoria sin aire, pero sí influye con aire?
- ¿Cómo explicar que la fase descendente sea más empinada que la fase ascendente en presencia de aire?
- ¿Por qué el ángulo óptimo disminuye cuando la resistencia del aire aumenta?
- ¿Cuáles son los límites del modelo ideal sin rozamientos?

Explicações científicas:

Sans resistencia de el air, le mouvement du proyectil ne dépend que de la gravedad. La masa s'élimine de el équation (a = g) y n'a aucune influence sobre la trayectoria. C'est le résultat de Galilée : tous les corps tombent à la même velocidad.

La force de traînée exercée par el air es proporcionalle au carré de la velocidad : F = ½ × ρ × Cx × A × v², où ρ es la masa volumique de el air, Cx le coefficient de traînée y A la section du proyectil.

Avec resistencia de el air, el aceleración du proyectil vaut a = g - (F/m). Le terme F/m diminue quand la masa augmente : un objet lourd es moins freiné par el air qu'un objet léger, à forme égale. C'est pourquoi une boule de bowling va más leyn qu'une balle de tennis.

La trayectoria con air n'est más symétrique car le proyectil perd de la velocidad tout au long du trajet. À la montée, il ralentit (gravedad + air). À la descente, el air le freine encore alors que la gravedad el accélère. La descente es donc más raide que la montée.

El angle optimal descend en dessous de 45° car la resistencia de el air pénalise davantage les trayectorias hautes (plus longues en el air) que les trayectorias tendues. Les lanceurs de javelot utilisent typiquement un angle de 30-35°.

Atividades de extensão:

'- Fijar el ángulo y la masa, y variar la velocidad inicial para observar que el efecto del aire se vuelve más importante a alta velocidad
- Comparar los alcances con y sin aire para un mismo ángulo, y calcular el porcentaje de pérdida de alcance
- Trazar la trayectoria para diferentes masas con aire y verificar que la masa pesada llega más lejos

Perguntas frequentes:

Q: ¿Cómo activar la resistencia del aire en la simulación?
R: En los parámetros de la simulación, activa la opción « Resistencia del aire ». Aparecen dos parámetros adicionales para ajustar la fuerza de arrastre.

Q: ¿Por qué las trayectorias no son simétricas con aire?
R: La resistencia del aire frena el proyectil durante todo el vuelo. En la fase ascendente, la resistencia se opone al movimiento hacia arriba y hacia adelante. En la fase descendente, se opone a la caída.