Reto de derribar el rastrillo (wicket) de críquet
| Áreas de Ciencia |
Física Ingeniería mecánica Reto Fluor |
| Dificultad | |
| Tiempo necesario | Muy breve (≤ 1 día) |
| Prerrequisitos | Ninguno |
| Disponibilidad de material | Fácilmente disponible |
| Costo | Muy bajo (menos de $20) |
| Seguridad | No presenta problemas |
Fluor 2020 Cricket Wicket Challenge thumbnail
Resumen
En este reto de ingeniería inspirado en el críquet, construirán una máquina para lanzar una pelota y derribar un objetivo (llamado rastrillo (wicket)). ¿Cuántas veces pueden derribar el rastrillo en tres minutos? Sigan las reglas del concurso para intentarlo y ¡entrar al Reto de Ingeniería Fluor 2020!
Objetivo
Utilicen materiales de artesanía para construir una máquina que pueda lanzar una pelota a un blanco (que en este reto se llama rastrillo) y derribarlo.
Créditos
Dr. Ben Finio, Science Buddies
Este proyecto se basa en la competencia amistosa "Super Over" diseñada por empleados de Fluor Corporation situados en Nueva Delhi, India.
Introducción
Si conocen el deporte del críquet, quizá sepan que parte del juego implica utilizar una pelota para derribar dos pequeños palos (llamados bails (travesaños)) que están sobre tres palos más grandes clavados en el suelo (llamados stumps (palos verticales)). En conjunto, los palos se llaman wicket (rastrillo). El Reto de Ingeniería Fluor de este año se inspira en el críquet. Como lo muestra el siguiente video, su meta es construir una máquina que pueda lanzar una pelota a un rastrillo y derribarlo.
Este proyecto les permite explorar algunos temas interesantes de física e ingeniería. En lugar de explicar estos temas con detalle, esta sección de antecedentes les ofrecerá una breve visión general y después pueden hacer más investigación sobre ellos, usando los vínculos de la bibliografía. Si están haciendo este proyecto de ingeniería para una feria de ciencias, no se preocupen por aprender sobre cada tema; en su lugar, escojan uno para estudiarlo con más detalle.
Primero, este reto es una gran oportunidad para aprender sobre máquinas simples, como la palanca o el plano inclinado. También pueden investigar máquinas más complejas, como catapultas, trabuquetes u hondas que se usan para lanzar proyectiles. Piensen en cómo podrían incorporar diferentes aspectos de estas máquinas en su diseño.
Hablando de proyectiles, pueden usar este proyecto para aprender sobre el movimiento de los proyectiles. ¿Cómo afectan la velocidad inicial y el ángulo de lanzamiento de un proyectil su alcance (distancia a la que viaja)? ¿Qué trayectoria (camino que toma la pelota en el aire) facilitará pegarle al rastrillo: una trayectoria alta, empinada o una trayectoria baja, poco profunda?
También pueden usar este proyecto para aprender sobre energía. La pelota necesita energía cinética, la energía del movimiento, con el fin de volar en el aire. ¿De dónde vendrá esa energía? Podría venir de la energía potencial elástica, la energía almacenada en un material estirado, como una liga. Podría venir de la energía potencial gravitacional, la energía almacenada en un objeto que se eleva desde el suelo. O la energía podría venir del trabajo que hacen con la mano al ejercer una fuerza. ¿Cómo podría su máquina convertir una forma de energía en otra?
También pueden usar el proyecto para examinar la conservación del momento. ¿Qué sucede cuando la pelota ligera y rápida de pin pon choca con la goma de borrar pesada y fija que está en la parte superior del rastrillo?
Finalmente, pueden usar este proyecto para demostrar el proceso de diseño de ingeniería. Es poco probable que piensen en una idea para hacer una máquina, se sienten y la construyan, y que funcione perfectamente en la primera prueba. Quizá necesiten idear muchos diseños, probar más de uno de ellos y modificar los diseños para mejorarlos. Está bien: ¡los verdaderos ingenieros rara vez hacen las cosas bien en el primer intento!
Términos y conceptos
- Máquina simple
- Palanca
- Plano inclinado
- Catapulta
- Trabuquete
- Honda
- Movimiento de proyectiles
- Velocidad inicial
- Ángulo de lanzamiento
- Alcance
- Trayectoria
- Energía cinética
- Energía potencial elástica
- Energía potencial gravitacional
- Trabajo
- Fuerza
- Conservación del impulso
Preguntas
- Vean la lista de artículos en la sección de Materiales. ¿Cómo podrían construir una máquina para lanzar una pelota usando estos materiales?
- ¿Qué proporcionará la energía para lanzar la pelota?
- ¿Como apuntarán la pelota al rastrillo?
- ¿Necesitan pegarle a la goma de borrar directamente para derribarla? ¿O podrían derribarla golpeando los lápices o la taza?
Bibliografía
- Science Trek (n.d.). Simple Machines: Facts. Idaho Public Television. Obtenido el 22 de noviembre de 2019 en https://sciencetrek.org/sciencetrek/topics/simple_machines/
- Finio, B. (2017, octubre 16). Launch Time: The Physics of Catapult Projectile Motion. Obtenido el 22 de noviembre de 2019 en https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p089/physics/physics-of-catapult-projectile-motion
- Henderson, T. (n.d.). What is a projectile? The Physics Classroom. Obtenido el 22 de noviembre de 2019 en http://www.physicsclassroom.com/class/vectors/Lesson-2/What-is-a-Projectile
- Henderson, T. (n.d.). Work, Energy, and Power. The Physics Classroom. Obtenido el 22 de noviembre de 2019 en http://www.physicsclassroom.com/class/energy
- Science Buddies Staff (n.d.). The Engineering Design Process. Science Buddies. Obtenido el 22 de noviembre de 2019 en https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/engineering-design-process/engineering-design-process-steps
Materiales y equipo
Si quieren inscribir su dispositivo en el Reto de Ingeniería Fluor 2020, solo pueden usar los materiales que se enumeran a continuación. Cada artículo tiene una cantidad máxima permitida y un costo de puntos (cada uno) que se deducirá de su puntuación, como se describe en el procedimiento. Tengan en cuenta que pueden cortar los materiales, pero los costos no se prorratean; es decir, si cortan una pieza de papel a la mitad y solo usan la mitad,sigue costando 10 puntos.
| Materiales de construcción | ||
|---|---|---|
| Artículo | Cantidad máxima | Costo de puntos (cada uno) |
| Cartón (tamaño máximo 12"x12" ó 30x30 cm) | 1 | 10 |
| Taza de papel o plástico (2 oz ó 59.15 mL.) | 10 | 3 |
| Palitos de madera (4 ½" ó 11.5 cm) | 10 | 1 |
| Lápices de madera (sección transversal circular o hexagonal aprox. de 7 a 8" ó de 18 a 20 cm de longitud) | 10 | 1 |
| Papel (papel para impresora o copiadora, no papel para construcción o cartulina; tamaño carta o A4) | 10 | 1 |
| Ligas (tamaño 32, 3" de largo sin estirar y 1/8" de ancho) | 10 | 2 |
| Tubo de cartón (1 unidad = 1 rollo de toalla de papel ó 2 rollos de papel de baño) | 2 unidades | 9 por unidad |
| Rollo de cinta adhesiva transparente (cinta Scotch® o equivalente, de 1/2" ó 3/4" de ancho, longitud máxima 500") | 1 | 10 |
| Cinta aislante (hasta 90 pies (27.44 m) en total, no más de 2" (5.08 cm) de ancho) | 90 pies | 20 (si se usa) |
| Herramientas y materiales de prueba (no tienen costo de puntos) | ||
| Artículo | Cantidad | Notas |
| Pelota de pin pon | 1 | |
| Regla o cinta de medir | 1 | |
| Tijeras | 1 | |
| Taza de papel o plástico de 2 oz (59.15 mL) | 1 | Se usa para construir el rastrillo |
| Lápices de madera | 2 | |
| Goma de borrar de hule o de plástico (aproximadamente 2"x1"x1/2" (5.08 cm x 2.54 cm x 1.27 cm)) | 1 | |
| Plastilina, Play Doh®, o Masa Casera. | Suficiente para llenar la mitad de la taza de 2 oz | |
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Procedimiento experimental
El objetivo del Reto de Ingeniería Fluor 2020 es construir un dispositivo que pueda lanzar una pelota de pin pon y derribar una goma de borrar de un rastrillo (el blanco) compuesto por dos lápices clavados en una taza con plastilina. Los equipos tratarán de derribar la goma de borrar del rastrillo todas las veces que sea posible dentro de un límite de tiempo establecido. Si todavía no lo han hecho, vean este video para tener una perspectiva general del reto antes de proceder.
Reglas
Dispositivo de lanzamiento
- El dispositivo solo puede construirse con artículos que estén en la lista de materiales oficial.
- El dispositivo debe ser autónomo y apoyarse en el suelo. No puede pegarse con cinta al suelo o a otro objeto, como un mueble. No puede sostenerse en el aire ni ser sostenido por una persona. (Si lo sueltan, no debe caerse).
- El dispositivo debe lanzar la pelota de pin pon (por ejemplo, usando una liga o una palanca). Esta acción de lanzamiento puede ser activada por una persona (por ejemplo, que estire una liga, que empuje una palanca). El dispositivo no puede solo sostener la pelota mientras una persona avienta la pelota (por ejemplo, como un tee de golf—el dispositivo no puede solo mantener la pelota en su lugar mientras la impulsan hacia adelante con el dedo).
Pruebas
- El rastrillo debe construirse de acuerdo con el diagrama que se muestra en la figura 1.
- El rastrillo debe colocarse en forma vertical, por lo menos a 1 pie (30.48 cm) de la pared u obstáculo más cercano (figura 2).
- Su dispositivo de lanzamiento debe estar alejado por lo menos 2 pies del rastrillo (figura 2).
- Un equipo de hasta cuatro estudiantes puede realizar las pruebas (por ejemplo, un estudiante lanza la pelota; un estudiante recupera la pelota; un estudiante vuelve a colocar la goma de borrar o el rastrillo, y un estudiante registra las veces en que se derriba la goma de borrar).
- La pelota puede rebotar o rodar en el suelo antes de golpear el rastrillo. Si la pelota rebota en la pared o en cualquier otro objeto (incluyendo un estudiante) y después derriba la goma de borrar, no cuenta (figura 3). No importa si la pelota golpea algo después de golpear el rastrillo.
- La pelota no necesita golpear la goma de borrar directamente para derribarla. Cuenta, aun cuando la pelota golpee la taza o los lápices y hace que caiga la goma de borrar.
- Para que la prueba oficial calcule su puntuación, hay un límite de tiempo de tres minutos para ver cuántas veces pueden derribar la goma de borrar del rastrillo.
- Pueden hacer todas las pruebas oficiales que quieran y obtener una puntuación más alta, pero solo pueden presentar una puntuación alta por equipo.
¿Tienen alguna pregunta que no respondan estas reglas? Vean las Preguntas frecuentes.
Diagrama que muestra como construir un rastrillo con una taza, lapices, plastilina y una goma de borrar
Figura 1. El rastrillo está compuesto por una copa de plástico de 2 oz (59.15 mL), lleno a la mitad con plastilina. Se clavan dos lápices en la plastilina en forma vertical, a 1 pulgada (2.54 centímetros) de distancia y la goma de borrar se coloca en la parte superior. La meta consiste en lanzar una pelota de pin pon al rastrillo y derribar la goma de borrar.
cricket wicket configuracion del lanzador
Figura 2. Distancias mínimas entre el lanzador, el rastrillo y otros obstáculos. El dispositivo lanzador debe estar por lo menos a 2 pies (60.96 cm) del rastrillo. El rastrillo debe estar por lo menos a 1 pie (30.48 cm) de los obstáculos cercanos, como paredes o muebles.
Trayectorias de la pelota que pueden golpear el rastrillo
Figura 3. Ilustración de la manera en que la pelota puede rebotar antes de golpear el rastrillo. La pelota puede rebotar en el piso muchas veces, o rodar en el piso, antes de golpear el rastrillo. El tiro no cuenta si la pelota rebota en otros obstáculos, como una pared o una persona, antes de golpear el rastrillo.
Diseño
Antes de empezar a construir, sería bueno intercambiar ideas de algunos diseños diferentes. Traten de esbozar sus diseños en papel. ¿Qué diseño funcionará mejor dadas las reglas y materiales que está permitido usar? ¿Qué diseño piensan que será el más confiable? Piensen en estas preguntas y seleccionen un diseño para seguir avanzando con él.
Construcción
Una vez que se hayan decidido por un diseño, ha llegado el momento de construirlo. Podrían descubrir que su diseño "en papel" no funciona como lo planearon cuando lo traten de construir en el mundo real. ¡Está bien! No tienen que apegarse a su plan original. Pueden hacerle modificaciones a su diseño, o incluso volver a empezar con algo completamente nuevo.
Prueba
Una vez que hayan construido su dispositivo de lanzamiento de pelota, preparen su rastrillo (ver la figura 1) y pruébelo. Es su oportunidad para identificar los puntos débiles de su diseño y detectar lo que puede mejorarse. Intenten lanzar la pelota al rastrillo para ver si pueden derribar la goma de borrar. Recuerden que no tienen que golpear la goma de borrar directamente. La pelota puede rebotar en el piso o golpear la taza o los lápices. A continuación presentamos algunas cosas que deben tomarse en cuenta:
- ¿Con qué precisión pueden lanzar la pelota? Hagan 10 tiros. ¿Cuántas veces derribaron la goma de borrar?
- ¿Qué tan rápido pueden recuperar la pelota y recargar su dispositivo de lanzamiento? Su prueba oficial se va a cronometrar, así que lo deben de hacer lo más rápidamente posible.
- ¿Qué tan resistente es su dispositivo de lanzamiento? ¿Soportará lanzamientos repetidos sin desbaratarse?
Con base en los resultados de sus pruebas, quizá quieran hacer cambios en sus diseños antes de hacer su prueba oficial.
Prueba oficial
- Preparen su rastrillo y dispositivo de lanzamiento. Asegúrense de cumplir con las distancias mínimas que se describen en las reglas.
- Pongan el cronómetro y de inmediato empiecen a lanzar la pelota para tratar de derribar la goma de borrar.
- Si fallan, recuperen la pelota y vuelvan a lanzarla.
- Si derriban la goma de borrar, recuperen rápidamente la pelota, vuelvan a colocar el rastrillo y vuelvan a lanzarla.
- Lleven un registro de las veces que derriban la goma de borrar.
- Detengan el cronómetro después de 3 minutos. Pasen a la siguiente sección para calcular su puntuación.
Puntuación
Calculen su puntuación usando esta ecuación:
El costo de los materiales es el costo de puntos total de todos los materiales usados en su diseño final. (Cuadro 1). Los materiales usados durante la prueba o creación del prototipo que no utilizaron en su diseño final, no cuentan.
La hoja de trabajo de un estudiante y la hoja de cálculo están disponibles para ayudarlos a calcular su puntuación.
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Si tienen problemas con este proyecto, lean las siguientes preguntas frecuentes. Pueden encontrar la respuesta a su pregunta.
P: ¿Puedo usar materiales que no estén anotados en la sección de Materiales?
R: Si están haciendo este proyecto para una feria de ciencias o solo para divertirse, pueden usar los materiales que deseen. Si quieren entrar al Reto de Ingeniería Fluor 2020, solo pueden usar los artículos que se enumeran en la sección de Materiales.
P: ¿Puedo usar otras herramientas?
R: Para que la competencia sea leal, las únicas herramientas permitidas son las tijeras. No se pueden usar herramientas eléctricas, desarmadores, cuchillos para pasatiempos, pistolas de pegamento en caliente, etc., en la construcción.
P: ¿Tengo que usar tazas de plástico rojo?
R: No. Está bien usar tazas de papel o de plástico de otros colores.
P: ¿Puedo cortar los materiales?
R: Sí, pueden cortar los materiales (por ejemplo, cortar a la mitad una pieza de papel o cortar agujeros en una taza de plástico). Sin embargo, recuerden que los costos del material no se prorratean. Si cortan una pieza de cartón a la mitad y solo usan la mitad, deben contar la pieza de cartón completa cuando calculen su puntuación.
P: ¿Hay restricciones en el tamaño de los dispositivos?
R: No, pero tengan presente que los dispositivos más grandes utilizarán más materiales, lo cual afectará su puntuación final.
P: Utilicé y después deseché algunos materiales mientras probaba diferentes diseños. ¿Los materiales desechados se restan de mi puntuación final?
R: No, solo los materiales que se usan en su diseño final se incluyen en su puntuación final. Por ejemplo, digamos que construyen un dispositivo con tres lápices y lo prueban. Entonces, rediseñan el dispositivo, eliminan uno de los lápices y lo vuelven a probar. Solo contarían dos lápices cuando calculen su puntuación final.
P: ¿Puedo hacer muchos ensayos para la prueba oficial?
R: Sí. Pueden probar todas las veces que deseen, pero solo pueden presentar una puntuación.
P: Mi dispositivo se rompió en una de las pruebas. ¿Lo puedo arreglar?
R: Sí, pero deben dejar el cronómetro funcionando mientras lo reparan. No pongan en pausa el cronómetro para hacer las reparaciones. Siempre pueden volver a empezar con una prueba nueva, para obtener una mejor puntuación.
P: ¿Se le puede hacer alguna modificación a la pelota de pin pon?
R: No. No se puede hacer ninguna modificación a la pelota de pin pon; por ejemplo, no la pueden cortar ni agregarle materiales.
P: ¿Tengo que golpear directamente la goma de borrar para derribarla?
R: No. La pelota puede rebotar en el piso primero o golpear la base del rastrillo (el blanco construido con lápices, una taza y una goma de borrar). Si la goma de borrar cae de la parte superior de los lápices debido a que la pelota golpea alguna parte del rastrillo, sigue contando.
P: Los ejemplos utilizan cinta de color. ¿Puedo usar cinta adhesiva de múltiples rollos?
R: Sí, siempre que la longitud total de la cinta utilizada no supere los 90 pies (equivalente a 1 rollo).
P: ¿Podemos volver a insertar los lápices en el portillo si se sueltan durante la prueba?
R: si.
