Tema 54 de 69Razonamiento Matemático

Situaciones con balanzas 2

Diseñarás pesadas con balanzas de dos platillos, calcularás pesos exactos usando pesas limitadas y justificarás el mínimo de pesadas para resolver encargos.

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Situaciones con balanzas 2

El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En Situaciones con balanzas 1 aprendiste a leer una balanza de dos platillos como un modelo de igualdad: si está equilibrada, el peso total del platillo izquierdo es igual al peso total del platillo derecho.

En este tema vamos un paso más allá. Ya no solo interpretaremos figuras con balanzas en equilibrio, sino que aprenderemos a diseñar pesadas, a obtener pesos exactos usando pesas limitadas, a aprovechar lo que ya se pesó como si fuera una nueva pesa y a determinar el número mínimo de pesadas para resolver un encargo.

¿Por qué es importante dominarlo?

Porque en los exámenes de admisión de San Marcos las balanzas no aparecen como un simple ejercicio de ecuaciones. Aparecen como problemas de lógica de pesadas, en los que hay que decidir:

  • qué conviene pesar primero,
  • dónde colocar las pesas,
  • cuándo conviene dividir el total en dos,
  • cuándo conviene usar lo ya pesado como contrapeso,
  • y cómo justificar que el número de pesadas hallado es realmente el mínimo.

Además, este tema entrena una habilidad clave del Razonamiento Matemático: convertir una situación concreta en una relación lógica o algebraica, manipularla y volver a interpretarla.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Solo necesitas recordar dos ideas básicas del tema anterior:

  1. En una balanza de dos platillos en equilibrio: peso total del platillo izquierdo=peso total del platillo derecho \text{peso total del platillo izquierdo} = \text{peso total del platillo derecho}

  2. Se pueden quitar o agregar objetos iguales en ambos platillos sin alterar el equilibrio. Esto equivale, algebraicamente, a sumar, restar, reemplazar o cancelar términos en una ecuación.

También conviene recordar que si hay objetos del mismo tipo, se les puede representar con una misma letra:

  • CC: peso de un cubo,
  • EE: peso de una esfera,
  • DD: peso de un dado.

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1. Balanzas en equilibrio: de la figura a la igualdad

1.1 Traducir una balanza a una ecuación

Cuando una balanza está en equilibrio y contiene objetos de varios tipos, lo primero es asignar una variable a cada tipo de objeto.

Ejemplo breve:

Supongamos que una balanza muestra:

  • Izquierda: 22 conos y 11 esfera.
  • Derecha: 11 cono, 22 esferas y una pesa de 4040 g.

Si CC es el peso de un cono y EE el peso de una esfera, entonces:

2C+E=C+2E+40 2C + E = C + 2E + 40

Aquí no importa aún cuánto pesa cada objeto; la ecuación ya resume toda la información de la balanza.

Balanza en equilibrio: izquierda 2 conos y 1 esfera; derecha 1 cono, 2 esferas y pesa de 40 g

1.2 Cancelación y sustitución

En este tipo de problemas, las operaciones más útiles son:

  • Cancelar: quitar el mismo objeto de ambos platillos.
  • Sustituir: reemplazar una equivalencia ya conocida dentro de otra ecuación.

En el ejemplo anterior:

2C+E=C+2E+40 2C + E = C + 2E + 40

Restamos CC a ambos lados y EE a ambos lados:

C=E+40 C = E + 40

Esto significa: un cono pesa lo mismo que una esfera más 40 gramos.

Si además se sabe que 44 conos y 33 esferas pesan juntos 300300 g, se puede plantear:

4C+3E=300 4C + 3E = 300

Sustituyendo C=E+40C = E + 40:

4(E+40)+3E=300 4(E+40) + 3E = 300

7E+160=300 7E + 160 = 300

E=20 E = 20

Entonces:

C=20+40=60 C = 20 + 40 = 60

Este procedimiento de traducir, cancelar, sustituir y resolver es la base de todos los problemas de equivalencias con balanzas.

1.3 Comparaciones entre objetos

Algunas preguntas no piden calcular pesos exactos, sino saber qué relación de orden existe entre dos objetos.

Por ejemplo, si de una cadena de balanzas se obtiene:

2C=E+p 2C = E + p

donde pp es un peso positivo, entonces necesariamente:

2C>E 2C > E

Es decir, dos objetos CC pesan más que un objeto EE.

La lógica es sencilla: si al platillo de EE fue necesario agregarle algo más para igualar a dos CC, entonces dos CC pesan más que EE.

Balanza en equilibrio: dos cubos equilibran una esfera y una pesa pequeña

Este tipo de conclusión comparativa es muy común cuando las alternativas dicen:

  • «A es más pesado que B»
  • «Dos A pesan más que B»
  • «Tres A pesan lo mismo que B»

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2. Pesar un producto con pesas limitadas

2.1 Sumas y diferencias en una pesada

En una balanza de dos platillos, las pesas no siempre deben colocarse en un solo lado. Eso permite obtener dos tipos inmediatos de peso en una sola pesada:

  1. Suma de pesas:
    Si colocamos todas las pesas en un platillo y el producto en el otro, el producto puede pesar la suma de las pesas.

  2. Diferencia de pesas:
    Si colocamos una pesa mayor en un platillo y una pesa menor junto con el producto en el otro, el producto puede pesar la diferencia.

Ejemplo con pesas de 3 kg y 7 kg:

Colocación Producto obtenido
33 kg y 77 kg juntas en un platillo; producto en el otro 3+7=103+7=10 kg
77 kg en un platillo; 33 kg con el producto en el otro 7−3=47-3=4 kg

La idea general es:

P=suma de pesas del platillo opuesto−suma de pesas del platillo del producto P = \text{suma de pesas del platillo opuesto} - \text{suma de pesas del platillo del producto}

Por eso, una balanza de dos platillos no solo mide sumas; también mide diferencias. Olvidar esto es uno de los errores más frecuentes.

2.2 Lo pesado también puede usarse como nueva pesa

Una estrategia muy importante es esta:

Si ya pesamos una porción del producto, esa porción tiene ahora un peso conocido y puede usarse como si fuera otra pesa.

Esto permite generar pesos que no son solo suma o diferencia de las pesas originales, sino combinaciones más complejas.

Ejemplo breve:

Con pesas de 33 kg y 77 kg se puede primero obtener 1010 kg. Luego, esos 1010 kg ya son un peso conocido.

En una segunda pesada, si colocamos:

  • 1010 kg de arroz ya pesado más 33 kg de pesa en un platillo,
  • 77 kg de pesa más producto en el otro platillo,

el producto debe pesar:

(10+3)−7=6 kg (10+3)-7 = 6 \text{ kg}

Así, en dos pesadas hemos acumulado:

10+6=16 kg 10 + 6 = 16 \text{ kg}

Este es exactamente el tipo de razonamiento que preguntan con frecuencia.

2.3 Obligación de usar ambas pesas en cada pesada

Algunos problemas añaden una restricción:

«En cada pesada se deben usar las dos pesas.»

Esto cambia la solución, porque no se permite hacer una pesada con una sola pesa, aunque algebraicamente fuera más simple.

Cuando aparece esta restricción, se debe verificar que cada pesada pueda representarse mediante una ecuación en la que aparezcan las dos pesas originales.

Ejemplo comparativo:

Con pesas de 22 kg y 55 kg, si se pide 11 kg de azúcar:

  • Sin restricción, se puede obtener 33 kg en una primera pesada usando ambas: P+2=5 P + 2 = 5 Luego, usando solo la pesa de 22 kg y esos 33 kg, se obtiene 11 kg: P+2=3 P + 2 = 3

  • Con restricción de usar ambas en todas las pesadas, hay que crear un peso intermedio adicional para que la segunda y tercera pesadas también usen ambas pesas.

La restricción obliga a pensar no solo en el peso final, sino también en cómo ocupar todas las pesas en cada operación.

2.4 Variante: no se puede usar lo pesado como pesa

Hay problemas que dicen expresamente:

«Los objetos pesados no pueden ser usados como pesas.»

En ese caso, lo único que se puede usar como peso conocido son las pesas originales. Ya no se puede reciclar la porción pesada.

Esto reduce las posibilidades. Por ejemplo, con pesas de 33 kg y 55 kg, en una balanza de dos platillos se pueden obtener directamente:

  • 33 kg,
  • 55 kg,
  • 3+5=83+5=8 kg,
  • 5−3=25-3=2 kg.

Es decir, cuatro pesos diferentes, si no se permite usar lo ya pesado como nueva pesa.


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3. Repartir un total en partes

3.1 Repartir un total con una diferencia fija

Este es uno de los métodos más útiles para resolver problemas de examen.

Supongamos que se tiene un total TT y se quiere repartirlo en dos bolsas AA y BB, no necesariamente iguales.

Si en la balanza se cumple:

A+u=B+v A + u = B + v

donde uu y vv son pesas colocadas con AA y BB, entonces:

A−B=v−u A - B = v - u

Es decir, la diferencia de peso entre las bolsas es igual a la diferencia entre las pesas del platillo contrario.

Además, como:

A+B=T A + B = T

se puede resolver el sistema:

A+B=T A+B=T A−B=v−u A-B = v-u

Por lo tanto:

A=T+(v−u)2 A = \frac{T + (v-u)}{2}

B=T−(v−u)2 B = \frac{T - (v-u)}{2}

Ejemplo breve:

Se tienen 1010 kg de azúcar y pesas de 11 kg y 33 kg. Se quiere separar en bolsas de 66 kg y 44 kg.

La diferencia deseada es:

6−4=2 6 - 4 = 2

Entonces conviene colocar 11 kg con la bolsa de 66 kg y 33 kg con la bolsa de 44 kg:

6+1=4+3 6 + 1 = 4 + 3

7=7 7 = 7

Así, en una sola pesada se logra el reparto.

3.2 Mitades sucesivas

Cuando el peso pedido es una fracción consecutiva del total, muchas veces conviene dividir por mitades.

Por ejemplo:

  • Si se tiene un saco de 4848 kg y se pide 1212 kg, notamos que: 48→24→12 48 \to 24 \to 12 Por lo tanto, con dos divisiones sucesivas por la mitad se obtiene el pedido.

La lógica es:

  • Primera pesada: separar 2424 kg y 2424 kg.
  • Segunda pesada: tomar una mitad de 2424 kg y separarla en 1212 kg y 1212 kg.

Este método es muy rápido cuando el pedido es:

T,T2,T4,T8,… T,\quad \frac{T}{2},\quad \frac{T}{4},\quad \frac{T}{8},\ldots

3.3 Pedidos decimales o fraccionarios

Muchos problemas recientes incluyen pedidos como:

  • 10,510{,}5 kg
  • 27,527{,}5 kg
  • 28,528{,}5 kg

El decimal 0,50{,}5 no significa que se deba tener una pesa de 12\frac{1}{2} kg. Generalmente aparece al dividir un total impar entre dos.

Por ejemplo, si se tiene un total de 2525 kg y se divide en dos partes con una diferencia de 44 kg:

25+42=14,5 \frac{25+4}{2} = 14{,}5

25−42=10,5 \frac{25-4}{2} = 10{,}5

Así, a partir de 2525 kg y una diferencia de 44 kg se obtiene 10,510{,}5 kg.

Método típico:

  1. Dividir el total original en dos mitades.
  2. Tomar una mitad.
  3. Dividirla usando las pesas para generar la diferencia que produzca el decimal pedido.

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4. Identificar el objeto de peso diferente

4.1 La estrategia de los tres grupos

En problemas donde hay varios objetos del mismo tamaño y forma, pero uno tiene peso diferente, la balanza de dos platillos es una herramienta para descartar grupos.

La idea central es:

En cada pesada se pueden formar tres grupos: los dos que se comparan y el grupo que se deja fuera.

¿Por qué tres?

Porque una pesada tiene tres resultados posibles:

  1. El platillo izquierdo pesa más.
  2. El platillo derecho pesa más.
  3. Ambos platillos pesan igual.

Si sabemos que el objeto buscado es más pesado:

  • Si un platillo cae, el objeto está en ese platillo.
  • Si equilibran, el objeto está en el grupo que no se pesó.

4.2 ¿Cuántas pesadas son necesarias?

Como cada pesada permite dividir entre 3 grupos, se puede usar la siguiente regla práctica:

Pesadas Máximo de objetos que pueden analizarse
1 33
2 32=93^2 = 9
3 33=273^3 = 27
4 34=813^4 = 81

Por lo tanto:

  • Para 88 o 99 objetos, bastan 2 pesadas.
  • Para 1010 a 2727 objetos, bastan 3 pesadas.
  • Para 2828 a 8181 objetos, bastan 4 pesadas.

El método es dividir en tres grupos lo más iguales posible y repetir.

Ejemplo con 9 monedas, una más pesada:

  • Primera pesada: comparar 33 monedas contra 33 monedas.
  • Si pesan igual, la moneda falsa está entre las 33 no pesadas.
  • Si un grupo pesa más, la moneda falsa está en ese grupo.
  • Segunda pesada: del grupo sospechoso de 33 monedas, comparar 11 contra 11.
  • Si pesan igual, la falsa es la que quedó fuera.
  • Si una pesa más, esa es la falsa.

Error clásico: dividir en dos grupos de 44 y 44, porque al quedar 44 sospechosos se necesitan más pesadas.


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5. Método para buscar el número mínimo de pesadas

5.1 Verificar si una pesada es suficiente

Antes de pensar en dos o más pesadas, conviene preguntarse:

  • ¿El peso pedido es igual a la suma de las pesas?
  • ¿Es igual a la diferencia de las pesas?
  • ¿Se puede obtener repartiendo el total con la diferencia de las pesas?

Si la respuesta es sí, entonces una pesada es suficiente.

Ejemplo:

Se tiene un total de 1010 kg y pesas de 11 kg y 33 kg. Si se pide repartir en 66 kg y 44 kg, ya vimos que una sola pesada basta porque:

6+1=4+3 6+1=4+3

5.2 Si una pesada no basta, pensar «hacia atrás»

Cuando el peso pedido no se puede obtener directamente, conviene descomponerlo.

Pregúntate:

  • ¿Qué peso intermedio me conviene obtener en la primera pesada?
  • ¿Puedo completar lo que falta en la segunda usando ese peso intermedio más las pesas originales?

Ejemplo mental:

Con pesas de 55 kg y 77 kg, si se pide 2222 kg:

  • Una pesada con ambas pesas puede dar 5+7=125+7=12 kg, o 7−5=27-5=2 kg.
  • Si obtengo 1212 kg, me faltan 1010 kg.
  • En la segunda pesada, 1010 se puede lograr como: 10=(12+5)−7 10 = (12+5)-7
  • Por lo tanto, dos pesadas son suficientes.

Este razonamiento evita andar probando sin rumbo.

5.3 Aprovecha el complemento

Si se tiene un total conocido TT, pesar una parte xx equivale a conocer también la otra parte T−xT-x.

Por eso, si el pedido es muy grande, tal vez convenga pesar el complemento y entregar el resto.

Ejemplo simple:

Si un saco tiene 2525 kg y se desea entregar 1616 kg, en lugar de pesar 1616 kg directamente, se puede observar que basta separar 99 kg y entregar los restantes 1616 kg.

A veces esa inversión simplifica mucho el problema.


Cuidado

Errores frecuentes

1. Usar las pesas solo en un platillo

Muchos estudiantes piensan que las pesas solo sirven si se colocan frente al producto. En una balanza de dos platillos, colocar una pesa del mismo lado que el producto permite obtener diferencias.

2. Olvidar que lo ya pesado puede usarse como nueva pesa

Si no se aprovecha esta idea, muchos problemas parecen imposibles o requieren más pesadas de las necesarias.

3. En repartos, confundir qué platillo lleva cada pesa

La diferencia de peso entre las bolsas depende de qué pesa acompaña a cada bolsa. No basta sumar las pesas; hay que ver a qué lado se colocan.

4. Dividir en dos grupos al buscar un objeto de peso diferente

En los problemas de identificación, conviene tres grupos, no dos. La balanza de dos platillos da tres resultados posibles, y hay que aprovecharlos.

5. No comprobar si una pesada es suficiente

A veces el problema tiene una solución de una sola pesada mediante suma, diferencia o reparto del total. Si se empieza directamente a buscar dos pesadas, se puede errar el mínimo.

6. Olvidar restricciones especiales

Frases como:

  • «utilizando ambas pesas en cada pesada»
  • «los objetos pesados no pueden usarse como pesas»

cambian completamente la estrategia. Hay que leerlas con calma.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

En una balanza en equilibrio, el platillo izquierdo contiene 22 conos y 11 esfera. El platillo derecho contiene 11 cono, 22 esferas y una pesa de 4040 g. Si 44 conos y 33 esferas juntos pesan 300300 g, ¿cuánto pesa un cono?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 2

Se dispone de una balanza de dos platillos y dos pesas: una de 55 kg y otra de 77 kg. Hay suficiente cantidad de arroz, y se debe usar ambas pesas en cada pesada. ¿Cuántas pesadas, como mínimo, se necesitan para obtener 2222 kg de arroz?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 3

Se tiene un saco con 4040 kg de azúcar y pesas de 22 kg y 88 kg. Un cliente pide 1313 kg. ¿Cuántas pesadas, como mínimo, se necesitan?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 4

Se tienen 99 monedas. Todas tienen el mismo tamaño, pero una es ligeramente más pesada. ¿Cuántas pesadas, como mínimo, se requieren para identificarla?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

En este tema trabajaste con un modelo de igualdad de pesos y aprendiste a manipularla para obtener información o diseñar pesadas óptimas.

En el siguiente tema, Puntos cardinales 1, cambiarás de modelo: ya no se tratará de equilibrar pesos, sino de ubicar posiciones y orientaciones usando referencias como norte, sur, este y oeste. La idea central seguirá siendo la misma: traducir una situación concreta a un sistema de relaciones lógicas claras, operar ordenadamente y regresar a la realidad para interpretar la respuesta.

Ir al siguiente tema: Puntos cardinales 1

¿Lo dominas?

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Evaluación del tema

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Hasta 6 básicas, 8 intermedias y 6 avanzadas; si un nivel no alcanza, se completa con el nivel más cercano. El diagnóstico recomienda una ruta; la evaluación final actualiza el porcentaje y puede marcar el tema como aprendido.

Básico 5/6Intermedio 21/8Avanzado 5/6Total 31/20

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