Mecánica Al Caminar

MECÁNICA DEL CAMINAR
Resumen Los conceptos mecánicos involucrados en una actividad tan cotidiana como el caminar, pueden resultar un buen ejemplo en la enseñanza de la Física básica. Se discuten los conceptos de rozamiento presentes, la influencia del tipo de calzado, la inclinación del terreno y otros factores. Se analizan los conceptos de torques y variación de momento angular total desistemas de partículas que conducen al balanceo de los brazos, teniendo en cuenta además su comportamiento como osciladores forzados. Se estudia la estabilidad. Se consideran los trabajos y variaciones energéticas en juego. Introducción Un aprendizaje significativo de la Física requiere ejemplos de aplicación de los conceptos teóricos tan cercanos como sea posible a la realidad cotidiana del alumno,permitiéndole comprobar su utilidad para explicar fenómenos familiares y verificar la validez de dichos principios. Una de las actividades más comunes que realizamos, y por eso mismo incorporada y automatizada sin mayor reflexión, es el andar. Su análisis, que esbozaremos a continuación, puede por ello ser un buen ejemplo a discutir en cursos de Mecánica. El rozamiento En una versión simplificada delcaminar podemos considerar que cuando damos un paso, adelantamos un pie, y lo apoyamos, ejerciendo con él a continuación una fuerza de roce Fr sobre el piso dirigida hacia atrás (Fig.1) La reacción Fr' a esta fuerza, ejercida por el suelo sobre nuestro cuerpo, es la que nos acelera hacia delante, al comenzar a caminar; o bien la que equilibra a la resistencia del aire si el desplazamiento es avelocidad constante. Fr y Fr' son evidentemente fuerzas cuya magnitud graduamos a voluntad, en función de parámetros tales como la intensidad y dirección del viento y la pendiente.

Figura 1 Sin embargo, por ser fuerzas de rozamiento estático, su valor máximo está acotado superiormente por la cantidad µeN, donde µe es el coeficiente de roce estático y N la normal. Por ello, cuando caminamos porun piso resbaladizo (µe bajo), lo hacemos despacio, con cautela, es decir ejerciendo una fuerza Fr pequeña, para estar seguros de no superar el rozamiento máximo permitido. Otro tanto sucede cuando la que presenta un valor reducido es la normal. Por ejemplo, al caminar por superficies inclinadas. En el extremo opuesto, si deseamos correr, lo que implica usualmente mayores valores de FR en cadapaso, nos aseguramos de emplear un calzado que tenga buen agarre con el suelo, es decir, alto µe. La propia naturaleza del movimiento se encarga de mejorar esta condición de seguridad: Mientras un pie ejerce la fuerza FR, levantamos el otro para avanzarlo a su vez. Ésto permite que todo el peso del cuerpo descanse sobre el primero, maximizando la normal, y por lo tanto el rozamiento estático máximo.Los alpinistas son deportistas que frecuentemente caminan sobre superficies con gran inclinación. Si la normal N es simplemente N = P. cos β (con β=ángulo de inclinación de la pendiente), el riesgo de deslizamiento es alto. Para reducir ese peligro, emplean dos estrategias: a) Llevan µe a valores muy altos (por ejemplo mediante zapatos con clavos); b) Incrementan N por encima de P. cos β, usandosogas dispuestas en direcciones tales que una componente de la tensión, sea normal a la superficie de apoyo del alpinista (Fig.2)

Figura 2 El balanceo de los brazos Utilizemos un sistema de tres ejes coordenados para estudiar el movimiento, con el origen en el CM de la persona, el eje x en la dirección y sentido del caminar, y hacia la izquierda y z hacia arriba (fig. 1). Notamos que al dar unpaso con el pie izquierdo, por ejemplo, la fuerza Fr', no está aplicada en el CM, sino desplazada una distancia d hacia la izquierda y otra h por debajo del mismo (Figs. 1 y 3).

Figura 3

Este desplazamiento produce dos torques: Uno en la dirección del eje z (de módulo Fr´.d), y otro en la de y (de intensidad Fr´.h). Analicemos primero el momento vertical: Notamos que se trata de un torque...