Laboratorio virtual de tiro parabólico: medir g con video

Este laboratorio virtual de tiro parabólico es una práctica de videoanálisis, como la actividad de cronofotografía del lycée francés o una medida de g en caída libre. La simulación registra una pelota lanzada como una fotografía estroboscópica, una imagen cada Δt, con una escala. Los estudiantes tocan cada imagen para construir x e y frente a t, hallan vₓ con la gráfica x–t y g con las gráficas y–t y vy–t, comprueban la segunda ley de Newton con las flechas Δv y después miden g en un planeta misterioso. Todos los valores de abajo se leyeron en la simulación.

Relación con el currículo

• Physique-chimie del lycée francés: Seconde, Mouvement et interactions (cronofotografía, vectores velocidad, Δv y fuerzas); Première spécialité (energía mecánica); Terminale spécialité (movimiento en un campo uniforme, segunda ley de Newton).
• AQA A-level Physics, práctica obligatoria (required practical) 3: determinación de g por un método de caída libre (ver Ampliación).
• AP Physics 1, Unit 1 Kinematics: tiro parabólico.
• NGSS HS-PS2-1 (estándar de EE. UU.): analizar datos que apoyen la segunda ley de Newton.

Simulic no está afiliado al Ministerio de Educación de Francia, a AQA ni al College Board, 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:

"Se lanza una pelota a 45° y se fotografía cada 0,10 s. ¿Cómo están espaciadas las imágenes?"

Muchos estudiantes esperan una separación igual a lo largo de la curva.

Método en la simulación

1. Haz clic en la pestaña Cronofotografía. Deja Altura de lanzamiento en 0,0 m, Ángulo de lanzamiento en 45°, Velocidad inicial en 15 m/s, Movimiento: Lanzamiento, Lugar: Tierra (9,81), Intervalo Δt entre imágenes en 0,10 s y Conjunto de datos n.º en 1.
2. Pulsa Lanzar y espera a que las 22 imágenes estén en la pantalla.
3. Toca el centro de cada imagen: el punto que tocas es tu medida. Un portátil o una tableta en horizontal es más preciso que un teléfono. ¿Poco tiempo? Marcar automático marca todas las imágenes con un pequeño error de lectura.
4. Copia t, x, y y vy de las imágenes 0, 5, 10, 15 y 20 en la tabla, o pulsa Datos CSV para obtener la tabla completa.
5. Pon Gráfica en x frente a t, después en y frente a t y después en vy frente a t. Anota vₓ y los dos valores de g de la tabla de resultados.
6. Marca Δv. Fíjate en la dirección de las flechas violetas y en la fila a = Δv/(2Δt).
7. Pon Lugar en Planeta misterioso (con el conjunto de datos 1), pulsa Lanzar, vuelve a marcar las imágenes y halla g con la pendiente de vy–t. Pulsa Mostrar g solo al final.

Imagen	t (s)	x (m)	y (m)	vy (m/s)
0	0,00
5	0,50
10	1,00
15	1,50
20	2,00

Resultados esperados

Con Marcar automático en el conjunto de datos 1:

Imagen	0	5	10	15	20
x (m)	−0,01	5,29	10,65	15,93	21,22
y (m)	−0,02	4,06	5,67	4,88	1,66
vy (m/s)	—	5,80	0,67	−4,22	−9,36

• En horizontal, las imágenes están separadas unos 1,06 m: vₓ = 10,60 m/s (valor aceptado 10,61).
• En vertical, los espacios se reducen unos g·Δt² = 0,098 m por imagen en la subida (1,04; 0,91; 0,78 m…) y crecen en la bajada.
• g: 9,77 m/s² con la parábola y–t y 9,78 m/s² con la pendiente de vy–t (−0,4 %).
• Δv apunta verticalmente hacia abajo en todas las imágenes: a = (0,02 ; −9,82) m/s², y m·|a| = 4,91 N es igual al peso mg.
• A mano: con toques dispersos unos 3 píxeles, g quedó a un 2 % aproximadamente en un portátil y a un 6 % en un teléfono.
• Planeta misterioso, conjunto de datos 1: g = 14,97 m/s² (y–t) y 15,01 m/s² (vy–t). Mostrar g indica 15,00.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cómo están espaciadas las imágenes?
2. Para hallar g con y frente a t, ¿cuál es la variable independiente y cuál la dependiente?
3. ¿Cuál es la velocidad horizontal vₓ según la gráfica x–t?
4. ¿Cuánto vale g en el planeta misterioso (conjunto de datos 1), según la pendiente de vy–t?
5. ¿Qué te dicen las flechas Δv sobre las fuerzas que actúan sobre la pelota?

Respuestas para el docente: (1) Espacios horizontales iguales; los verticales se reducen al subir y crecen al bajar. (2) Independiente: el tiempo t; dependiente: la altura y. (3) Acepta 10,3–10,9 m/s (10,60 con Marcar automático). (4) Acepta 14,0–16,0 m/s² (15,01 con Marcar automático; valor real 15,00). (5) Todas las Δv apuntan verticalmente hacia abajo y tienen el mismo tamaño: una aceleración g constante y hacia abajo. La única fuerza es el peso, así que vₓ se mantiene constante.

Ideas erróneas frecuentes

• "La pelota se frena en horizontal." Las imágenes siguen separadas unos 1,06 m en horizontal.
• "En el punto más alto la aceleración es cero." En la imagen 11, vy es solo 0,25 m/s, pero Δv sigue apuntando hacia abajo con la misma longitud.

Ampliación

• Método de caída libre para g: pon Movimiento: Caída desde el reposo (la altura de lanzamiento salta a 10 m). Marcar automático da 15 imágenes y g = 9,80 m/s² (y–t) y 9,81 m/s² (vy–t).

Preguntas frecuentes

¿Puede el enlace de clase abrirse en la pantalla Cronofotografía?

Sí. En los valores iniciales del enlace, pon Pantalla en Cronofotografía. Deja Lugar (pantalla Cronofotografía) en Tierra, Intervalo Δt entre imágenes en 0,1 y Número del conjunto de datos (marcado automático, planeta misterioso) en 1, para que las respuestas coincidan.

¿Y si los grupos usan números de conjunto de datos distintos?

Cada número de conjunto de datos da un planeta misterioso distinto, con g entre 3 y 25 m/s² (conjunto 2: 21,8; conjunto 3: 8,8). Las preguntas 1, 2, 3 y 5 siguen sirviendo, pero el intervalo de la pregunta 4 solo vale para el conjunto de datos 1.

¿Los estudiantes deben tocar las imágenes o usar Marcar automático?

Tocar las imágenes es la destreza real; los intervalos admiten un marcado cuidadoso en un teléfono. Marcar automático va bien en una clase corta: queda a un 1 % aproximadamente de los valores aceptados.

Simulaciones y guías relacionadas

Medida de g con un péndulo simple Caída libre y caída con resistencia del aire

Para el alcance, el ángulo y la resistencia del aire, consulta el plan de clase de tiro parabólico. Para otra forma de medir g, consulta el plan de clase del péndulo simple.