Catapulta casera: el mejor ángulo de lanzamiento

Todos los libros de física dicen que un proyectil llega más lejos lanzado a 45 grados. Construye una catapulta casera para niños, mide bien y vas a encontrar el máximo entre 30 y 40 grados. El libro no miente: contesta una pregunta con dos supuestos escondidos, y tu malvavisco viola los dos.

Descubrir eso es una tarde mejor que ganar un concurso de distancia. Este experimento está armado alrededor de medir ángulo contra alcance, lo que significa que la construcción tiene que permitirte cambiar el ángulo a propósito.

Lee la sección de seguridad antes de construir. Una catapulta lanza cosas a la altura de los ojos.

Puntos clave

• Vas a construir una catapulta de caja de zapatos con ángulo de lanzamiento ajustable y medir el alcance en cinco ángulos distintos.
• El concepto es el movimiento de proyectiles y, en concreto, que la respuesta ideal de 45 grados supone que no hay aire y que lanzas desde el suelo.
• Ideal de 8 a 14 años, con un adulto presente en cada tiro.
• El detalle que decide todo: la base tiene que ser pesada, o salta y tus números se vuelven ruido.
• Esto es solo al aire libre, con lentes de seguridad, municiones blandas y una dirección de tiro declarada. Sin excepciones.

Lo que vas a necesitar

Qué	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Caja de zapatos rígida	1	Clóset	Caja de cereal rellena de periódico
Paleta de pintor o regla de 30 cm	1	Ferretería, casi gratis	Mango de cuchara de palo
Lápices redondos sin punta	3	Escritorio	Palillos chinos de bambú
Ligas o cauchos	6	Papelería	Tiras de cámara de bicicleta vieja
Tapa de botella de plástico	1	Reciclaje	Cuenco de cuchara de plástico, pegado
Cinta fuerte	1 rollo	Caja de herramientas	Cinta de ducto; la diurex no aguanta
Transportador	1	Lapicera	App de ángulo del celular
Cinta métrica de 5 m	1	Caja de herramientas	Cordel marcado cada 50 cm
Lentes de seguridad	1 par por persona	Ferretería, baratos	Ninguno. No hay sustituto
Malvaviscos chicos	1 bolsa	Supermercado	Pompones o papel hecho bolita
Gis o cinta de papel	1	Papelería	Dos estacas y un cordel
Libros de lastre	4	Librero	Bolsas de arroz, botellas de agua
Cuaderno	1	Donde sea	Obligatorio. Los datos son el experimento

Ojo con los alérgenos: los malvaviscos tienen gelatina y pueden hacerse en plantas que manejan trigo o nueces. Aquí nada se come, pero revísalo.

Tiempo: preparación 10 min, construcción 30 min, experimento 45 min, limpieza 10 min Costo: una bolsa de malvaviscos y unos lentes de seguridad; lo demás es chatarra Nivel de desorden: hazlo afuera

Haz el experimento: catapulta casera para niños

Paso 1 — Arma el pivote

Voltea la caja boca abajo. Atraviesa un lápiz por los dos lados largos, a unos 5 cm de un extremo, de modo que gire libre. Pega la paleta al centro de ese lápiz en ángulo recto, para que quede parada y oscile. Pega la tapa de botella en el extremo libre, con la boca hacia arriba.

Paso 2 — Agrega la potencia y el tope

Engancha dos ligas desde cerca del extremo de la tapa hasta un clip atravesado en la cara frontal de la caja, para que jalen el brazo hacia adelante y arriba. Después perfora una fila vertical de agujeros, cada 1 cm, en los dos costados de la caja delante del pivote, y mete un segundo lápiz en un par de agujeros. Ese lápiz es el tope contra el que se estrella el brazo: subirlo o bajarlo cambia el ángulo de lanzamiento. Envuélvelo con tres capas de cinta para que no rebote.

Paso 3 — Dale peso a la base y marca la línea de tiro

Pon cuatro libros encima de la caja. Una catapulta ligera retrocede y brinca, lo que arruina la repetibilidad más que cualquier otra cosa. Marca con gis una línea de tiro al frente de la caja y una segunda tres metros atrás. Quien no esté cargando se queda detrás de la línea de atrás.

Paso 4 — Fija el primer ángulo y verifícalo

Pon el lápiz-tope en el agujero más bajo. Jala el brazo, déjalo oscilar hasta que golpee el tope y sosténlo ahí. Mide con transportador el ángulo que forma con el suelo. Ese es tu ángulo de lanzamiento, y es un número que se anota, no que se estima.

Paso 5 — Dispara cinco, mide cinco

Lentes puestos. Apunta hacia una reja o un seto, nunca a una ventana, una persona o un animal. Carga un malvavisco, jala el brazo hasta la misma marca y suelta. Mide de la línea de tiro al punto donde toca primero el suelo, no a donde rodó. Anota los cinco números.

Paso 6 — Repite en cinco ángulos y revisa la deriva

Mueve el tope y repite para unos 20, 30, 45, 60 y 70 grados, cinco tiros cada uno, midiendo el ángulo real siempre. Después dispara cinco más en tu primer ángulo. Si ahora caen más cerca, tus ligas se fatigaron y tienes que tomarlo en cuenta.

Lo que deberías ver: dispersión, antes que nada. Cinco tiros al mismo ángulo se reparten sobre un 20 a 30 por ciento del alcance, y eso es normal. Por debajo de la dispersión, el alcance sube desde 20 grados, llega a un máximo entre 30 y 40 y vuelve a caer a los 70. El resultado estrella: tus tiros de 30 grados le ganan a los de 60, aunque la teoría simple diga que deberían empatar. Los alcances típicos van de uno a tres metros.

Qué está pasando en realidad

Una vez que el malvavisco sale de la tapa, nada lo empuja. Vale decirlo en voz alta, porque creer que un objeto en movimiento lleva una fuerza consigo es un error duradero de la mecánica (Hestenes, Wells y Swackhamer, 1992). En vuelo hay gravedad jalando hacia abajo y aire empujando hacia atrás. Eso es todo.

El movimiento de proyectiles se parte limpio en dos problemas independientes. En horizontal, sin aire, la velocidad nunca cambia. En vertical, la gravedad le quita unos 9.8 m/s cada segundo (The Physics Classroom). El ángulo decide cómo se reparte la velocidad de salida. Ángulos bajos dan mucha velocidad horizontal y poco tiempo de vuelo; ángulos altos dan vuelo largo y poco avance. El alcance es el producto, y por eso existe un mejor ángulo en medio.

Haz la cuenta y, para lanzamiento y aterrizaje a la misma altura y sin aire, el alcance resulta proporcional al seno del doble del ángulo, con máximo en 45 grados. También implica que 30 y 60 grados deberían empatar, porque el seno de 60 es igual al seno de 120 (The Physics Classroom, trayectorias).

Tu catapulta rompe los dos supuestos. El arrastre crece con el cuadrado de la velocidad y depende del área frontal y del coeficiente de arrastre dividido entre la masa (NASA Glenn). Un malvavisco es casi el peor caso: ancho y casi sin peso, así que su relación arrastre-peso es enorme. El arrastre se opone al movimiento todo el vuelo, y un tiro alto pasa mucho más tiempo en el aire, así que pierde mucha más velocidad. Eso baja el mejor ángulo y rompe la simetría 30-60 en una dirección concreta: de cada par, gana el más bajo.

El segundo supuesto roto es la altura de lanzamiento. Tu tapa está unos 25 cm arriba y el malvavisco cae a nivel del suelo. Lanzar por encima del plano de aterrizaje siempre baja el ángulo óptimo, porque parte del tiempo de vuelo sale gratis y la velocidad horizontal vale relativamente más.

Así que 45 grados contesta una pregunta más limpia que la que hiciste, y la diferencia es la física. Lanza una bola de acero y el máximo vuelve a acercarse a 45, porque la relación arrastre-peso se desploma. No lo hagas, por lo que dice la tabla de seguridad.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años: plano y rápido, o alto y lento

Pídele que lance una pelota de tres formas: rasante al suelo, derecho hacia arriba y a la mitad. Pregunta cuál llegó más lejos. La rasante toca el suelo demasiado pronto; la alta se regresa; la de en medio gana. Esa es toda la idea sin un solo número, y la descubrió con su brazo.

De 9 a 12 años: el ángulo parte la velocidad en dos

Dibuja una flecha a 45 grados y después su parte horizontal y su parte vertical. La catapulta da una velocidad total fija y el ángulo decide el reparto. Después haz la predicción concreta: ¿30 y 60 grados van a empatar? La física del libro dice que sí. Que quede en el cuaderno antes de disparar, porque ese desacuerdo es lo que vuelve valiosa la medición.

De 13 en adelante: de dónde sale la simetría y por qué se rompe

Deriva el alcance como velocidad al cuadrado por el seno del doble del ángulo, entre g, y muestra por qué es simétrico respecto a 45. Después introduce el arrastre como fuerza proporcional al cuadrado de la velocidad y razonen cuál de 30 y 60 sufre más. Al final comparen la relación arrastre-peso de un malvavisco y de una piedra y predigan cómo se mueve el óptimo. Luego compárenlo con sus propios datos.

La pregunta que debes hacer: “Si disparáramos esto en la Luna, ¿qué ángulo ganaría?” (45 grados, porque no hay aire. Comprueba si separó el resultado ideal de la corrección, que es la verdadera habilidad aquí.)

¿Y en América Latina?

Primero el vocabulario, porque pedir mal el material cuesta otro viaje. Los malvaviscos son masmelos en Colombia y malvaviscos en México, Chile y Argentina. Las ligas son ligas en México, cauchos en Colombia, gomitas o elásticos en Argentina y Chile. Las paletas de pintor te las regalan en cualquier ferretería o tlapalería. Y los lentes de seguridad: los de obra, que cuestan lo que un almuerzo corriente. Ese es el gasto del experimento y no es negociable.

Dónde dispararlo si vives en departamento. Mucha gente en Bogotá, Lima o Ciudad de México no tiene patio. Llévalo a un parque, una cancha o el patio de la escuela con permiso, apuntando lejos de los andadores. No en el balcón. No en un pasillo compartido. No en un patio de luz con ventanas.

Y la altura sí cambia el resultado, de forma medible. El aire en La Paz tiene cerca de 40 por ciento menos densidad que al nivel del mar, y en Bogotá o Quito la diferencia también es grande. Menos densidad significa menos arrastre, y menos arrastre acerca tu resultado al caso ideal. Una familia en La Paz debería encontrar su máximo más cerca de 45 grados que una familia en Cartagena con la misma catapulta. Es una de las pocas predicciones regionales que puedes comprobar con cinta métrica y paciencia. Mira también nuestras guías de catapultas medievales y palancas y de máquinas simples en casa.

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

La lección no es que 45 grados esté mal. Es que un modelo limpio y una medición sucia pueden tener razón los dos, y que el trabajo interesante vive en la diferencia. Eso es más o menos lo que es la ingeniería. Un niño que midió un máximo de 34 grados y puede explicar por qué no es 45 hizo algo distinto a uno que memorizó el número.

También ataca una confusión específica. El Force Concept Inventory, aplicado a decenas de miles de estudiantes, encuentra que muchos llegan creyendo que un proyectil necesita una fuerza continua en la dirección del movimiento (Hestenes, Wells y Swackhamer, 1992). Ver salir un malvavisco y trazar su arco sin nada tocándolo es el contraejemplo más limpio que existe, sobre todo si dices esa frase en voz alta mientras está en el aire.

El marco del National Research Council incluye analizar e interpretar datos entre las prácticas que la ciencia escolar debería construir (NRC, 2012). Cinco tiros en cinco ángulos con la dispersión anotada es un conjunto de datos real con incertidumbre real, y eso importa más que el máximo.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	De 8 a 14 años. Los más chicos cargan y miden, pero el adulto opera el brazo
Supervisión	Un adulto presente en cada tiro, sin excepción. Una persona dispara, todos los demás detrás de la línea de atrás
Riesgos reales	Lesión ocular. Una catapulta lanza a la altura de los ojos, y un proyectil en el ojo es una lesión permanente, no un moretón. También ligas que se revientan y puntas de lápiz
No hagas esto	No cargues nunca nada duro. Ni piedras, ni canicas, ni monedas, ni frijoles secos, ni pilas, ni lápices, ni tornillos, ni tapas de botella. Solo blando: malvaviscos chicos, pompones o papel hecho bolita. Nunca apuntes a una persona, una mascota, una ventana o la calle, y nunca dispares bajo techo

Cuatro reglas, dichas como reglas. Solo al aire libre, con 10 metros libres por delante. Lentes de seguridad en toda persona presente, de los que venden para obra, que cumplen una norma de impacto real; la guía de protección ocular de OSHA explica por qué existe esa norma. Una sola dirección de tiro, elegida antes del primer disparo. Quien no carga se queda tres metros atrás, nunca al costado del brazo: el brazo describe un arco y una mano en ese arco recibe el golpe.

Cuando no funciona

La catapulta entera brinca al disparar. Falta lastre. Cada tiro empuja la caja hacia atrás, y si la caja se mueve, tu velocidad y tu ángulo cambian a media acción. Pon más libros y revisa que no se deslice en pasto mojado.

Los alcances bajan parejo durante la sesión. Fatiga de las ligas, y es real: el caucho se debilita con el estiramiento repetido y con la temperatura. Por eso el Paso 6 repite el primer ángulo al final. Si la deriva es grande, cambia todas las ligas.

Los tiros se dispersan mucho más del 30 por ciento. Casi siempre el jalón no es consistente. Marca el jalón máximo con cinta y jala a esa marca todas las veces. La segunda causa es el malvavisco pegándose a la tapa en días húmedos.

El brazo rebota del tope y el tiro no sale. Un tope sin almohadilla rebota y el brazo atrapa el proyectil al regresar. Más cinta en el tope, o un trapo doblado.

Todos los ángulos dan casi el mismo alcance. Tu rango de ángulos es demasiado angosto. Verifica con el transportador en lugar de confiar en los agujeros: mover el tope 1 cm puede cambiar el ángulo solo un par de grados.

Para llevarlo más lejos

Prueba la simetría directamente. Diez tiros a 30 grados y diez a 60. Anota la predicción teórica antes de empezar: deberían empatar. Después compara los dos conjuntos. El tamaño de la diferencia mide cuánto está haciendo el aire, y es el mejor resultado que esta construcción puede dar.

Cambia el proyectil, no el ángulo. Fija el ángulo en tu máximo medido y dispara un malvavisco, después dos pegados, después un pompón del mismo tamaño. Estás variando la relación arrastre-peso con la energía casi constante, la forma más limpia de mostrar que la respuesta de 45 grados depende de lo que lanzas.

Duplica la potencia y revisa los cuadrados. Dispara con dos ligas, luego cuatro, luego seis, a ángulo fijo. El alcance escala con el cuadrado de la velocidad, así que si se cuadruplica, duplicaste la velocidad.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: usa la frase “en el aire nada lo está empujando” sobre algo sin relación, como un balón pateado.
• Mes 2: nota un deporte donde el mejor ángulo está claramente debajo de 45 grados, que son casi todos. Un tiro largo de béisbol y el lanzamiento de bala salen muy por debajo de 45.
• Mes 3: pregunta qué pasa con un proyectil más pesado. Respuesta: el máximo se acerca a 45. Satisfácela con un objeto blando más pesado, nunca con uno duro.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el mejor ángulo no es 45 grados?

Porque 45 supone que no hay aire y que lanzas desde la misma altura a la que cae. Un malvavisco tiene una relación arrastre-peso enorme y la tapa está por encima del suelo. Los dos efectos bajan el óptimo, típicamente a 30 o 40 grados.

¿Qué podemos usar como munición de forma segura?

Malvaviscos chicos, pompones y papel hecho bolita. Esa es la lista completa. Nada duro, denso ni del tamaño de un ojo, lo que descarta piedras, canicas, monedas, frijoles secos y tapas. Lo blando además da mejor física, porque el efecto del arrastre se ve más.

¿De verdad necesitamos lentes para malvaviscos?

Sí. Un malvavisco a velocidad de lanzamiento puede raspar una córnea abierta y, más importante, una liga o el brazo pueden fallar y regresar a tu cara. Los lentes también construyen el hábito para el día en que la munición perdone menos.

¿Cuántos tiros necesitamos por ángulo?

Cinco es el mínimo práctico y diez es mejor. La dispersión de una catapulta casera es grande: un tiro por ángulo da una gráfica convincente que no significa nada. Reporta la mediana.

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Sobre el autor

Ricky Flores es el fundador de HiWave Makers e ingeniero eléctrico con más de 15 años de experiencia desarrollando tecnología de consumo en Apple, Samsung y Texas Instruments. Escribe sobre cómo los niños aprenden a construir, pensar y crear en un mundo saturado de tecnología. Lee más en hiwavemakers.com.

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Fuentes

1. The Physics Classroom. “What Is a Projectile?” https://www.physicsclassroom.com/class/vectors/Lesson-2/What-is-a-Projectile
2. The Physics Classroom. “Characteristics of a Projectile’s Trajectory.” https://www.physicsclassroom.com/class/vectors/Lesson-2/Characteristics-of-a-Projectile-s-Trajectory
3. NASA Glenn Research Center. “The Drag Equation.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/drag-equation/
4. NASA Glenn Research Center. “Factors That Affect Drag.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/factors-that-affect-drag/
5. Hestenes, D., Wells, M., & Swackhamer, G. (1992). “Force Concept Inventory.” The Physics Teacher, 30(3), 141–158. https://doi.org/10.1119/1.2343497
6. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165
7. Occupational Safety and Health Administration. “Eye and Face Protection.” U.S. Department of Labor. https://www.osha.gov/eye-face-protection