LAS FUERZAS La Dinámica es la parte de la Mecánica que estudia las causas del movimiento, mientras las Estática es el estudio de los cuerpos en equilibrio. 1) Qué son las fuerzas ► Definición: “Fuerza es ………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………….………” Por tanto, distinguimos entre: - efectos…………………….. - y efectos……………………. de una fuerza. ► Una fuerza es el resultado de una interacción entre cuerpos. Hay fuerzas que se ejercen entre cuerpos que están…………………………….. y otras………………………. Fuerzas (Interacciones) Fundamentales Se debe… Es la responsable de… Gravitatoria Electromagnética Nuclear Débil Nuclear Fuerte ○ Comentarios a la tabla: - Hacia abajo, aumenta la intensidad de las fuerzas y disminuye su alcance. - Hoy en día, se ha unificado la fuerza electromagnética con la nuclear débil, conociéndose como fuerza electrodébil. ► La fuerza es una magnitud………………. . Para definirla, además del módulo (intensidad) hay que indicar su ……………………., …………………… y …………………………………… . En el S.I., se mide en newton (N): 1 ► Operaciones con fuerzas. ● A menudo ocurre que dos o más fuerzas actúan sobre un cuerpo (fuerzas concurrentes, cuyas direcciones …………………………………………..) . Piensa, por ejemplo, en dos caballos que tiran de un carro. En este caso, cuando dos o más fuerzas actúan a la vez, sus efectos se suman. En otras ocasiones, los efectos se restan, por ejemplo, dos niños disputándose un paquete de chucherías. ● El conjunto de las fuerzas se puede sustituir entonces por una sola fuerza, llamada fuerza resultante, que es ………………………………………………………………. ● CASOS: ¿Cómo se calcula gráficamente? Realizando operaciones con vectores. ○ Fuerzas que actúan en la misma dirección: ○ Igual sentido: ○ De distinto sentido: ○ Fuerzas concurrentes con distinta dirección: F1 REGLA DEL P…………………… (válida para más de dos fuerzas concurrentes) REGLA DEL P……………………. 2 2) Efectos estáticos: Las fuerzas y las deformaciones Clasificación de los cuerpos, según su comportamiento ante una fuerza Ej.: una lámina de plomo Elásticos Se deforman y no recuperan su forma original cuando desaparece la fuerza, quedan deformados permanentemente. ► La ley de Hooke Enunciado: “cuando se aplica una fuerza a un muelle, ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ……………………….. “ Donde, k: es la constante de ………………………………………….. y se mide en ………………………… (S.I.) ∆l: …………………………………………………………..… ………………………………………………………………… ► El dinamómetro - Es un aparato que sirve para medir fuerzas. - Se fundamenta en medir la deformación que produce un objeto en un muelle. - Se rige por la ley de …………… ACTIVIDADES √ Resumen en el cuaderno de los puntos 1, 2, 3.1 y 3.2 √ ¿De qué depende el comportamiento de un cuerpo ante una fuerza? √ Diferencia entre límite de elasticidad y límite de rotura. √ Pág. 39. Actividad 4. √ Al sumar el vector a (-2, 4) y el vector b (1, 0) ¿Qué vector c se obtiene? √ Realiza y comenta la experiencia sobre la ley de Hooke de la página 36. √ Si un muelle experimenta un alargamiento de 2 cm al aplicarle una fuerza de 10 N, ¿cuánto se alargará al colgarle una pesa de 4 N de peso? (Sol: 0,8 m) 3 3) Efectos dinámicos: Las fuerzas y el movimiento. ► Principio de Inercia de Galileo: ● En la antigua Grecia, Aristóteles (384322 A.c.) concluyó que el estado natural de los cuerpos era el reposo y que todo cuerpo que se mueve es movido por otro cuerpo, si no, todo cuerpo en movimiento disminuye su velocidad hasta pararse. ● Galileo Galilei (1564-1642) lo negó. Realizó multitud de observaciones y estudió el movimiento de los cuerpos en planos inclinados y superficies horizontales, y se dio cuenta de que lo frenaba el movimiento eran las fuerzas de rozamiento (del aire y de las superficies). Por tanto, el “estado natural” de los cuerpos no era el reposo. Enunciado del principio de inercia: “ “ ► Principios de la dinámica Isaac Newton (164-1727) completó el trabajo de Galileo y publicó su obra “Principios Matemáticos de la Filosofía Natural”, donde expresó sus conclusiones en leyes o principios, conocidos como los PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA DINÁMICA: ● Primer principio o LEY DE INERCIA. En una definición actual, establece: “Todo cuerpo permanece en reposo o en MRU a menos que sobre él actúe una ……………… neta externa” - Es una ampliación del principio de inercia de Galileo. El estado de reposo se identifica con el de MRU. - Define cualitativamente “fuerza”, como el ente capaz de producir cambios en el estado de un cuerpo. - Entenderemos por fuerza neta (o resultante) como la suma de todas las fuerzas aplicadas a un objeto. Para que se produzca un cambio en el estado de movimiento, la fuerza neta debe ser …………………..cero. - Condición de equilibrio: un cuerpo está en equilibrio cuando no actúa ninguna fuerza sobre él o bien cuando actúan varias fuerzas concurrentes de forma que la resultante sea nula (sumatorio de fuerzas igual a cero) 4 ● Segundo principio o principio fundamental de la Dinámica. Determina cómo se producen los cambios en el movimiento cuando un cuerpo está sometido a la acción de una fuerza neta (claro está, distinta de cero). “Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza, le provoca una ………………….. de la misma dirección y sentido de la fuerza, de forma que: F=m . a” Donde, ○ m es la masa (cantidad de materia) del cuerpo. Magnitud escalar que en el S.I se expresa en kg. ○ a es la aceleración. Magnitud vectorial que en el S.I es expresa en ………… Luego, 1 N es la fuerza que, al actuar sobre un cuerpo de 1 kg le confiere una aceleración de 1 m/s2 - El primer principio es un caso particular del segundo. Si la/s fuerza/s que actúa/n sobre un cuerpo es/son nulas, no existirá aceleración. ● Tercer principio o principio de acción y reacción FLuna, Tierra FTierra,Luna FLuna, Tierra = FTierra, Luna “Cuando un cuerpo ejerce una fuerza llamada ………………, el segundo le responde con una fuerza igual y de sentido contrario denominada ….…………….” Las fuerzas aparecen por parejas (………………………). - Describe una propiedad importante de las fuerzas: las fuerzas siempre actúan en pares: FAB = -FBA De igual magnitud y sentido contrario. Nunca se anulan entre sí porque se aplican en objetos diferentes. Por tanto, las aceleraciones que sufren los objetos que interactúan son ……………………… 5 4) Fuerzas cotidianas ► La fuerza peso (P) es la fuerza de atracción que ejerce la Tierra sobre los objetos. Cuando un cuerpo cae por acción de su propio peso, se mueve con la aceleración de la gravedad (g = 9,8 m/s2, valor que dependerá de la latitud y la altitud) ○ Para calcular el peso de un objeto, la 2ª ley de Newton se reescribirá como: ○ El peso de un cuerpo es proporcional a su masa y no es una característica intrínseca de los cuerpos ► La fuerza normal (N) es la fuerza de reacción de un plano sobre un cuerpo que está apoyado sobre él. ○ N es una fuerza perpendicular al plano y de sentido opuesto al de apoyo. Su valor depende de cada situación concreta. √ Rescribe los pares de fuerza: ► Las fuerzas de rozamiento o fricción (FR) Son las fuerzas que se oponen al movimiento. Estudiaremos el rozamiento de un cuerpo contra la superficie en la que se apoya. FR = ○ Por tanto, su intensidad depende de la fuerza ………………. Y las …………………………………………………………… El coeficiente de rozamiento (μ) es un número adimensional cuyo valor depende del material de las dos superficies de contacto. ○ Distinguimos entre fuerza de fricción estática (que es la que hay que vencer para comenzar un movimiento -se opone al inicio-) y fuerza de fricción cinética que es la que se opone al movimiento -lo frena-). Por lo que existen dos coeficientes de rozamiento μestático y μdinámico Siempre: μestático μdinámico ► La tensión de una cuerda (T) μ= 0.5 Las cuerdas son elementos de trasmisión de fuerzas y se utilizan para arrastrar objetos o elevarlos por poleas. En una cuerda de masa despreciable, la tensión es constante a lo largo de la misma. √ Copia el dibujo en tu cuaderno y dibuja todas las fuerzas implicadas (diagrama de fuerzas). 6 ACTIVIDADES. √ Busca en el diccionario el significado de la palabra INERCIA. √ ¿Por qué equilibrio no es lo mismo que reposo? √ Aplica los principios de la dinámica a un caso de la vida cotidiana como, por ejemplo, cuando vamos a tirar de un carrito de la compra. √ Calcula tu peso en la Tierra y en la Luna (gluna = 1,6 m/s2) √ Define tensión de una cuerda √ Actividad 14 y 15 de la página 45. √ Conocidos los μ acero-acero = 0,15 y μacero-hielo = 0,03, si llevas unos patines de cuchilla de acero, ¿qué podrías deducir? √ Dibuja las fuerzas existentes en: a) una piedra después de lanzarla hacia arriba mientras asciende; b) Un coche de juguete arrastrado por un niño sobre el suelo; c) un columpio separado 30º de la vertical d) un jamón colgado del techo. √ Investiga en Internet sobre otro tipo de fuerza cotidiana: las fuerzas de arrastre 5) Fuerzas y tipos de movimiento. ► MRUA. La fuerza resultante (y por tanto la aceleración) que tiene la dirección del movimiento, provoca cambios en el módulo del vector velocidad, pero no es su dirección. Será, pues, una aceleración ……………………… √ Ejercicio resuelto de la Pág. 46: Un cochecito de masa 750 g está en reposo y, de pronto, es tirado por una fuerza de 5 N. Calcula la aceleración que adquiere, el espacio que recorre y su velocidad en 3 s. ¿Qué ocurrirá si la fuerza de 5 N desaparece? ● ESTRATEGIAS para la resolución de problemas de dinámica: 1) Identificar las fuerzas que actúan sobre el objeto de estudio. Para ello es imprescindible trazar un DIAGRAMA DE FUERZAS, en el que aislemos cada uno de los objetos del sistema. 2) Elegir un Sistema de Referencia (ejes X e Y) 3) Escribir la segunda ley de Newton (en forma de componentes) 4) Resolver sistema de ecuaciones para determinar cuantitativamente el valor de la aceleración. √ Ejercicio resuelto de la Pág. 49 ► MCU: La fuerza centrípeta. La aceleración normal (aN) o centrípeta es la que mide la variación de la dirección de la velocidad con el tiempo. Aplicando la segunda ley de Newton, si un cuerpo tiene aceleración centrípeta, tiene FUERZA CENTRÍPETA (Fc) √ Actividad 19, de la Pág. 51: Se coloca una piedra de 600 g en una honda de 50 cm y se la hace girar a una velocidad constante de 4 m/s. Dibuja la fuerza que hace girar la honda y calcula su módulo. 7 ACTIVIDADES de repaso. A partir de la Pág. 53 del libro: √ Ley de Hooke: 25, 29, √ Vectores: 31 √ Fuerzas y movimiento: Ej. Res. 10 y 11; 35, 37, 38, 39, 41, 43, 47, 51, 53 y 55 6) La ley de gravitación universal. ► Introducción histórica: A lo largo de la historia se han sucedido distintos modelos que intentan explicar el movimiento de los astros (el Sol, la Luna y los planetas) en el universo. Isaac Newton encontró la respuesta definitiva a la dinámica de los planetas a partir del estudio detallado de las Leyes de Kepler y gracias a su genio matemático: “Los planetas giran alrededor del Sol describiendo ………………… ………… El Sol ejerce sobre los planetas una fuerza de atracción gravitatoria que hace que los planetas giren en torno a él”. Consecuencias: ○ Síntesis newtoniana: Unificó la mecánica terrestre y celeste (las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos en la Tierra gobiernan el movimiento de los astros en el cielo) ○ Supuso una nueva concepción mecanicista del mundo (todos los fenómenos podían tener una interpretación a través de la mecánica, lo cual podría conducir al ateísmo) ► La ley de la gravitación universal ● Enunciado “Todos los cuerpos del universo ………………………………………………................ ……………………………………………………………………………………………… ................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ “ ● Expresión matemática: Donde: ○Mym ○d ○ G es y su valor en el S.I. G= ● Características de la fuerza gravitatoria: 8 ○ Es una fuerza universal: todos los cuerpos con masa están sometidos a esta fuerza. ○ Es una fuerza de atracción. ○ Es un vector que tiene la dirección de la recta que une el centro de gravedad de ambos cuerpos. ○ Solo se observa cuando uno o los dos cuerpos tienen masas muy grandes. ACTIVIDADES √ Qué es un modelo geocéntrico? ¿Y heliocéntrico? Pon ejemplos. Completa en tu cuaderno la tabla de la actividad 38 de la Pág.81 √ Has un resumen de las leyes de Kepler. √ Pág. 69: Actividades 6, 8 y 9. ● Consecuencias: a) La fuerza peso √ Recordemos P = m. g. Demuestra que el peso y la fuerza gravitatoria son la misma fuerza. √ Completa y comenta la siguiente tabla: Astro Tierra Luna Marte Masa (kg) 6,0.1024 7,2.1022 6,5.1023 Radio (km) 6370 1740 3380 g (m/s2) √ ¿Cómo queda la LGU para un cuerpo a una distancia h de la Tierra? Considera h una distancia considerable. b) El equilibrio c) Los ciclos de las mareas. ACTIVIDADES (A partir de la Pág. 81) √ Ejercicio 40 √ La dinámica del universo: Ejercicio resuelto 5; 47, 48, 49 y 51. √ Consecuencias de la LGU: Ejercicio resuelto 6; 52, 55, 57 y 62. √ Realiza un MAPA CONCEPTUAL como cierre de la unidad. Si quieres más información puedes consultar en: http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/dinamica/index.htm http://educaplus.org/play-315-Leyes-de-la-din%C3%A1mica.html http://ellaboratoriodefyq.blogspot.com/ 9