Laboratorio virtual de impulso: gráficas fuerza–tiempo
Actualizado el 2026-10-07
Este laboratorio virtual de impulso convierte en una práctica los contenidos de momento lineal y seguridad vial de GCSE, A-level y AP Physics. Un carrito con parachoques recorre un carril de aire hasta una pared con un sensor de fuerza, y unas fotopuertas lo cronometran a la ida y a la vuelta. Los estudiantes mantienen fijas la masa y la velocidad, cambian entre un muelle blando, un muelle duro, una zona de deformación y un airbag, y leen la fuerza máxima, el tiempo de contacto y el impulso de cada lanzamiento. El área bajo la gráfica fuerza–tiempo coincide siempre con la variación del momento lineal medida con las fotopuertas. La clase termina con un reto de diseño: proteger un huevo sobre un carrito en movimiento.
Relación con el currículo
- AQA GCSE Physics 4.5.7.3 (cambios en el momento lineal): F = mΔv/Δt y elementos de seguridad como airbags, cinturones y zonas de deformación. Las fotopuertas funcionan como en las prácticas de GCSE con carritos.
- AQA A-level Physics 3.4.1.6 (momento lineal): el impulso como área bajo una gráfica fuerza–tiempo.
- AP Physics 1 Unit 4 (momento lineal), tema 4.2 sobre variación del momento lineal e impulso.
- NGSS HS-PS2-3 (estándar de EE. UU.): diseñar un dispositivo que reduzca al mínimo la fuerza sobre un objeto durante un choque.
Simulic no está afiliado a AQA, al College Board ni a ningún organismo examinador, ni cuenta con su respaldo.
Antes del laboratorio (5 min)
Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:
"Un carrito de 1 kg a 3 m/s choca contra una pared, primero con un parachoques de muelle blando y después con un muelle duro. Las dos veces rebota a 3 m/s. ¿Cómo se compara la fuerza máxima sobre la pared?"
Muchos estudiantes dicen que la fuerza es la misma, porque la variación del momento lineal es la misma. No los corrijas todavía.
Método en la simulación
- Pulsa Sensor de fuerza y choque. Deja Choca con en "Pared con sensor de fuerza", Masa m₁ en 1,0 kg, Velocidad u₁ en 3,0 m/s y Grosor (del parachoques) en 20 cm.
- Elige Parachoques: Muelle blando y pulsa Lanzar. Durante el contacto el lanzamiento se ve a cámara lenta y después se añade una fila a la tabla.
- Repite con Muelle duro, Zona deformable y Airbag. Mantén m₁ y u₁ iguales cada vez.
- En cada lanzamiento, anota u y v de la fotopuerta, Δp, el impulso J (el área sombreada), el tiempo de contacto Δt y la fuerza máxima Fmáx.
- Compara la gráfica roja (fuerza sobre la pared) con la azul (fuerza sobre el carrito).
| Parachoques | u (m/s) | v (m/s) | Δp (kg·m/s) | J (N·s) | Δt (ms) | Fmáx (N) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Muelle blando | ||||||
| Muelle duro | ||||||
| Zona deformable | ||||||
| Airbag |
Resultados esperados
Todos los valores salen de la simulación, que no tiene error aleatorio, así que todos los grupos obtienen los mismos números.
| Parachoques | v (m/s) | Δp = J (kg·m/s) | Δt (ms) | Fmáx (N) | F̄ = J/Δt (N) |
|---|---|---|---|---|---|
| Muelle blando | −3,00 | −6,000 | 157,1 | 60,0 | 38,2 |
| Muelle duro | −3,00 | −6,000 | 44,4 | 212,1 | 135,0 |
| Zona deformable | −0,24 | −3,245 | 56,6 | 60,0 | 57,4 |
| Airbag | −0,82 | −3,820 | 232,5 | 62,4 | 16,4 |
- El impulso medido por el sensor siempre es igual a la Δp medida con la fotopuerta.
- Los dos muelles dan la misma Δp, pero el contacto del muelle blando dura 3,5 veces más y su fuerza máxima es 3,5 veces menor.
- La zona deformable y el airbag casi no rebotan, así que la Δp es más o menos la mitad. Además absorben entre 4,2 y 4,5 J de energía cinética.
- Las curvas roja y azul son simétricas: la pared empuja al carrito con la misma fuerza con que el carrito empuja a la pared.
Preguntas para los estudiantes
- (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cómo se compara la fuerza máxima con un muelle blando y con un muelle duro?
- ¿Qué magnitudes deben mantenerse iguales mientras comparas los parachoques?
- Con un muelle duro, m₁ = 1,0 kg y u₁ = 3,0 m/s, ¿cuál es la fuerza máxima?
- ¿Cuántas veces más largo es el tiempo de contacto del muelle blando que el del muelle duro?
- Usa el momento lineal para explicar por qué un airbag reduce la fuerza sobre el conductor en un choque.
Respuestas para el docente: (1) El muelle blando da una fuerza máxima menor (60 N frente a 212 N), porque el contacto dura más. (2) La masa m₁ y la velocidad u₁, para que la variación del momento lineal sea comparable. (3) 212 N (se acepta ±2). (4) 157,1 ÷ 44,4 ≈ 3,54. (5) La variación del momento lineal del conductor está fijada por su masa y su velocidad. Fuerza = variación del momento lineal ÷ tiempo, así que un airbag que hace que la frenada dure más da una fuerza menor.
Ideas erróneas frecuentes
- "La misma variación del momento lineal significa la misma fuerza." El impulso es el mismo, pero fuerza = Δp/Δt. Si el cambio se reparte en más tiempo, la fuerza baja.
- "Un parachoques más blando siempre es más seguro." Pon Velocidad u₁ en 4,5 m/s con el muelle blando: se aplasta del todo y la fuerza se dispara a unos 1210 N. Un elemento de seguridad tiene que ser blando y lo bastante grueso.
- "El objeto más pesado empuja más fuerte." Elige Carrito 2 en reposo: las fuerzas sobre los dos carritos son iguales y opuestas, sean cuales sean sus masas.
Ampliación
- Reto de diseño (NGSS HS-PS2-3): pon Tarea en Reto de diseño. Un carrito de 2 kg con un huevo choca contra la pared a 3 m/s; mantén Fmáx en 100 N o menos con un parachoques de 15 cm de grosor como máximo. En la simulación ningún muelle lo consigue: los que son lo bastante blandos se aplastan del todo. Un airbag de 15 cm lo consigue con 88 N; una zona deformable con una fuerza de aplastamiento de 90 N lo consigue con 90 N justos.
- Elige Choca con "Carrito 2 en reposo" y comprueba que J₁ = −J₂ para los dos carritos.
Preguntas frecuentes
¿Puede el enlace de clase abrirse directamente en la pantalla del sensor de fuerza?
Sí. En la página Compartir, fija Pantalla en "Sensor de fuerza y choque" en los valores iniciales del enlace. También puedes fijar Parachoques y Choca con. Si no, el primer paso del método indica a los estudiantes que pulsen el botón.
¿Por qué J es negativo?
El carrito se mueve hacia la pared en el sentido positivo, y la pared lo empuja hacia atrás. Por eso el impulso sobre el carrito y su variación del momento lineal son negativos.
¿Dónde está la parte de conservación del momento lineal?
Pulsa Volver al carril de aire para ver dos carritos que chocan de forma elástica o inelástica. El plan de clase de fuerzas y movimiento trata con más detalle la parte de las fuerzas.
Simulaciones y guías relacionadas
Laboratorio de choques – momento lineal y energía cinética en los choques
Segunda ley de Newton – tirar de un bloque sobre una superficie
Para más actividades de física, consulta ideas de clases interactivas de física.