El cambio como resultado de las interacciones entre objetos
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El cambio como resultado de las interacciones entre objetos ¿CÓMO SE PUEDEN PRODUCIR CAMBIOS? EL CAMBIO Y LAS INTERACCIONES ¿Por qué cuando pateamos una pelota que está en un estado de reposo comienza a moverse? O, si ya está en movimiento, con una cierta velocidad y determinada dirección, ¿por qué éstos factores pueden cambiar? ¿Por qué, después de que dos automóviles chocan, su carrocería no queda como estaba antes del choque? En los temas previos, hemos explicado que todos los cuerpos se mueven. Como vimos, la cinemática es la rama de la física que nos ayuda a comprender los diferentes aspectos del movimiento, es decir, la velocidad la rapidez, aceleración y la trayectoria de los objetos. En este bloque estudiaremos las causas del movimiento, por ejemplo, por qué cuando un objeto que se encuentra en estado de reposo comienza a moverse, o por qué cuando está ya en movimiento se detiene o aumenta su velocidad o bien, sufre una deformación ya sea temporal o permanente. La rama de la física que nos ayudará a comprender las causas del movimiento es la dinámica. Comencemos planteando la siguiente situación. Lee con atención y anota tus explicaciones. Si colocas una lata de refresco vacía en algún lugar del patio, qué sucede cuando: 1. Sopla el viento: _____________________________________________ 2. Alguno de tus compañeros la patea:____________________________ 3. Otro de tus compañeros la patea enseguida que lo hizo el primero:___ _______________________________________________________ 4. Alguno de tus compañeros la comprime con el pie: 5. No sopla el viento y nadie toca la lata: ______________ Compara tus respuestas con las de tus companeros y saquen sus conclusiones. Asesorados por el(la) profesor(a), realicen una discusión acerca de las conclusiones obtenidas con sus compañeros. Como habrás podido observar, en los dos primeros casos, la lata estaba en un estado de reposo, hasta que se presentó un elemento externo que alteró ese estado. En el tercer caso, la lata se estaba moviendo a una cierta velocidad (es decir, ya estaba en un estado de movimiento) cuando el otro compañero la pateó, entonces la velocidad y la dirección en que se movía cambiaron. En el cuarto caso, la lata también estaba en un estado de reposo, por lo tanto, el elemento externo sólo hizo que perdiera su forma original, es decir, la deformó. En el último caso, la lata permaneció tal como la dejaste. Los elementos externos que afectan el estado de la lata son otros objetos que al entrar en contacto con ella provocan algún efecto. Debido a esto se señala que ha habido una interacción entre esos tres elementos (la lata, el pie, el viento). El término interacción se utiliza para denominar la influencia recíproca entre 2 o más objetos. En el último caso no ocurre ninguna interacción de la lata con otro elemento, por eso, aquélla permanece tal como la dejaste. Pero no toda interacción entre los cuerpos ocurre por contacto físico entre ellos, las siguientes actividades te permitirán comprender la otra manera en que se da una interacción entre los objetos: Figura 2.2. e %0 Material: • 12 clavos pequeños del mismo tamaño (pueden ser alfileres). • Un lápiz. • Una regla graduada. • Un imán. Procedimiento: 1. Traza una línea sobre la mesa y a un costado de ella coloca los clavos de la siguiente manera: la punta del primer clavo debe quedar sobre la línea, la punta dei segundo deberá quedar a medio centímetro de la línea; la punta del tercero, a un centímetro y así, sucesivamente hasta acomodar los 12 clavos. La separación entre los clavos sobre la línea deberá ser de entre 3 y 5 cm, dependiendo del grueso o ancho de tu barra de imán. 2. Coloca el imán sobre la línea y desplázala sobre la misma, comenzando por el extremo donde está el clavo cuya punta se encuentra sobre la línea (retira cada clavo que se adhiera a la barra, antes de seguir desplazándola). ¿Qué sucedió cuando acercaste la barra de imán a los prime ros cuatro clavos? ¿Cómo varió la velocidad con que los clavos se movieron hacia la barra, mientras estaban más lejos de ésta? ¿A qué crees que se debe la variación en la velocidad? ¿Qué pasó con los clavos 6 al 12? ¿Por qué crees que sucedió eso? En esta actividad, la interacción entre los clavos y la barra no es de la misma magnitud en todos los casos; los primeros clavos se movieron más rápido hacia la barra, pero conforme los clavos estaban más alejados de la línea, la interacción entre éstos y la barra se hizo más débil, hasta desaparecer, lo cual habrás podido observar, ya que los últimos clavos no se desplazaron hacia la barra. Figura 2.34^ Realiza la siguiente actividad para la cual necesitarás lo siguiente: Material: • Un balín. • Un imán. • Varias hojas de papel (puedes usar las de alguno de tus cuadernos o libros, pues no es necesario que las hojas estén sueltas). Procedimiento: • Sujeta la barra; sobre ella coloca una hoja de papel, y sobre la hoja coloca el balín (exactamente encima de donde quedó el imán). Ahora, desplaza el imán en diferentes direcciones... ¡El balín también se mueve! • Repite la actividad, agregando gradualmente más hojas entre el balín y el imán. • Es evidente que en ninguno de los casos el imán está tocando al balín, puesto que el papel los separa, sin embargo, la interacción entre el imán y el balín se da, aun cuando hay un cuerpo o una cierta distancia entre ellos. La siguiente actividad nos mostrará la magnitud de la interacción entre los objetos: Material: • 4 recipientes de crema o yoghurt (de preferencia de un kg) y con tapa. • 2 kg de tierra o arena. Procedimiento: • Numera los recipientes. • Deja vacío el primero; al segundo, agrégale tierra o arena hasta la cuarta parte de su capacidad; al tercero agrégale tierra o arena hasta la mitad; y al cuarto recipiente, llénalo por completo. Luego tápalos. • Con mucho cuidado, súbete a una silla (aunque sería mejor si puedes subir a una mayor altura, pero no olvides ser cuidadoso) y sujetando al recipiente 1 por la tapa, levanta tu brazo lo más alto que puedas y déjalo caer. Haz lo mismo con cada uno de los recipientes restantes. ¿Qué le sucedió a cada recipiente? ¿Cuál de los recipientes sufrió más daño? ¿A qué crees que se debe esto? Escriban sus conclusiones. Cuando pasamos cerca de nuestro televisor, los vellos de nuestro brazo son atraídos por la pantalla, pues ésta tiene una carga eléctrica negativa la cual atrae la carga eléctrica positiva de nuestro vello, el cual se levanta sin ser tocado por la pantalla. Como verás más adelante, en física, el término "fuerza" tiene un significado muy diferente del que comúnmente le damos en nuestra vida diaria, pues por lo general, asociamos esta palabra con las cualidades de alguna persona musculosa. En el siguiente tema estudiaremos con mayor detalle las fuerzas. La energía: una idea fructífera y alternativa a la fuerza LA ENERGÍA Y LA DESCRIPCIÓN DE LAS TRANSFORMACIONES © ¿Qué sucede cuando enciendes el ventilador de tu casa? ¿Y cuando enciendes la televisión? De tu curso de Ciencias 1, responde: ¿qué sucede con la luz que llega a las hojas de las plantas? En el lenguaje de la física como en el de las demás ciencias, es frecuente escuchar palabras a las que les damos un significado diferente en el lenguaje científico del que se les da en la comunidad cotidiana; tan diferente que a veces no existe una relación clara entre el significado que se la da en el lenguaje de uso común con el que tiene en las ciencias. Los términos "trabajo" y "energía" son un ejemplo de ello. Experiencias alrededor de diversas formas de la energía. La idea de "energía" en la cotidianidad Se considera normal que los niños permanezcan mucho tiempo en un solo lugar. Por lo general, siempre están haciendo algo: jugando, corriendo, gritando, moviéndose de un lado para otro, saltando, etc.; además, son capaces de realizar estas actividades durante todo el día, por lo que es común oír a los papas decir: "¡Cuanta energía tienen estos niños!". Después de una ardua mañana de trabajo en la escuela, tenemos asignado un tiempo de receso, el cual está destinado para que descansemos un poco y consumamos algún alimento para recuperar la energía necesaria que nos permita realizar nuestras actividades el tiempo restante del turno. Pero no es común escuchar a alguien decir; "mira, aquella maceta que está sobre la ventana del tercer piso tiene una gran cantidad de energía", lo cual sería difícil de creer, pues por lo general, en nuestra vida diaria asociamos ia palabra energía con el movimiento, y una maceta sobre un balcón no se mueve, aunque es verdad que los objetos que no se mueven también poseen energía. Entonces, ¿qué es la energía? Antes de contestar esta pregunta realiza las siguientes actividades: Material: • Una tira de lija de unos 15 ó 20 cm. • Una pila de 9 voltios. • 4 pedazos de 15 cm de cable delgado. • Un foco pequeño y una base para el foco. • Un motor eléctrico pequeño. • Una licuadora (sólo la parte donde está el motor) • Cinta adhesiva. Procedimiento: • Coloca la tira de lija sobre la mesa y con una de tus manos presiónala sobre ésta. • Desliza uno o dos dedos de tu otra mano a lo largo de la tira de lija; hazlo despacio primero; después un poco más rápido, y luego mucho más rápido. ¿Qué diferencia notaste en la sensación que tuviste al desplazar tus dedos sobre la lija la primera y la última vez? ¿Por qué se generó calor? • Coloca la pila de 9 voltios sobre la mesa y obsérvala un momento, compárala con las pilas de tus otros compañeros. ¿Podrías decir si tu pila o la de tus compañeros es nueva o ya está descargada? ¿Por qué? • Toma la pila y con tu lengua toca ligeramente sus terminales. ¿Qué sentiste? ¿A qué crees que se debe esto? FIGURA 2.44 ¿Qué sucede cuando las terminales de - la pila tocan tu lengua? • Conecta el extremo de dos cables a una misma terminal de la pila, fíjalos con la cinta adhesiva. Haz lo mismo con los otros dos pedazos de cable en la otra terminal de la pila. • Los cables deben quedar colocados de manera que un cable de cada terminal cuelgue de un mismo lado de la pila. • Coloca el foco en la base y conecta a ésta un cable de cada terminal. • Conecta los dos cables restantes a las terminales del motor. ¿Qué sucede con el foco y con el motor? Si ambos están conectados a la pila al mismo tiempo, ¿por qué el foco no gira ni se mueve? ¿Por qué el motor no se ilumina? • Retira la tapa que protege el motor de la licuadora. • Con tus dedos pulgar e índice toma los extremos metálicos de la clavija de la licuadora. • Pide a uno de tus compañeros de equipo que haga girar con su mano el motor de la licuadora lo más rápido posible. ¿Qué sentiste en tus dedos? ¿A qué crees que se deba esto? FIGURA 2.46 ¿Por qué sentiste un ligero toque en tus dedos. En las actividades anteriores habrás notado que aplicaste algún tipo de energía y el foco y el motor hacían que se manifestara otro tipo de energía diferente a la eléctrica, el foco encendía mientras que el motor giraba. Lo anterior es una de las características de la energía: su capacidad de transformarse de un tipo de energía en otro. Resaltaremos algunos tipos o formas en los que se manifiesta y transforma la energía mediante el siguiente ejemplo: La energía eléctrica es generada en una central, y posteriormente se transmite y transforma en: • Energía luminosa cuando enciendes un foco, una lámpara o la televisión. • Energía calorífica que se transmite mediante el horno de microondas o la plancha. • Energía sonora al encender la radio, la televisión o el reproductor de discos compactos. • Energía de movimiento cuando mezclas o mueles los alimentos en la licuadora; al usar la batidora o el ventilador. Las interacciones eléctrica y magnética COMO POR ACTO DE MAGIA. LOS EFECTOS DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS Experiencias alrededor de fenómenos electrostáticos ¿Qué son los relámpagos? ¿Cómo se forman? ¿Por qué durante una tormenta no debemos colocarnos debajo de un árbol? ¿Por qué en ocasiones nos damos "toques" al hacer contacto con algún objeto u otra persona? En la época de los griegos ya se habían observado ciertos fenómenos que se manifestaban durante la interacción entre objetos constituidos con diferentes materiales. Tales fenómenos consistían en que después de frotar entre sí dos cuerpos, éstos mostraban comportamientos característicos. Para conocer esos comportamientos realiza las siguientes actividades: Material: • Media hoja de papel. • Una regla de plástico. Procedimiento: • Corta la hoja de papel en trozos pequeños de diferentes tamaños y colócalos sobre la mesa. • Frota vigorosamente la regla de plástico en tu cabello durante algunos segundos. • Acerca lentamente la regla hacia donde se encuentran los trozos de papel. ¿Qué sucede? ¿Qué crees que haya provocado que los papeles se movieran? ¿Fue necesario que la regla tocara los papelitos para que éstos llegaran hasta ella? Realiza esta actividad en casa. Material: • Un pedazo de tela de algodón. • Tu televisión. Procedimiento: • Asegúrate de que tu televisión esté desconectada. • Limpia la pantalla pasando un trapo sobre ella. • Conecta la televisión y enciéndela. • Al terminar tu programa favorito apaga la televisión y colócate de tal manera que puedas observar de perfil la superficie de la pantalla. ¿Qué hay sobre la pantalla de televisión? ¿Cómo aparecieron ahí si antes habías limpiado la pantalla? ¿De dónde salieron esas partículas que están adheridas a la pantalla de la televisión? Cómo construir un electroscopio Propósito: construir un aparato sencillo para determinar si un cuerpo está o no cargado eléctricamente. Material: • Un frasco de vidrio de boca ancha, con tapa. • Un clavo pequeño. • Una varilla de vidrio. • Una regla de plástico. • Un pedazo de tela de lana. • Pinzas de punta. • Pistola para silicón. • Un pedazo de Silicón. • Un pedazo de alambre (o cable) delgado de cobre. • Un pedazo de papel aluminio. Figura 2.76 Material necesario para construir un electroscopio. Procedimiento: • Con las pinzas dobla un extremo del alambre en forma de "L" de tal manera que el doblez mida un poco más de 2 cm. • Realiza una perforación en la tapa del frasco e introduce el otro extremo del alambre. • Coloca la tapa al frasco y corta el alambre de tal manera que el doblez en "L" quede a la mitad del frasco y que la otra punta sobresalga unos 4 ó 5 cm por encima de la tapa. Hazle un doblez en "L" de 1.5 cm • Fija el alambre a la tapa con un poco de silicón, de tal manera que el alambre no toque la tapa. Esto último es muy importante para el buen funcionamiento del electroscopio. • Corta 2 cuadritos de papel aluminio tal como se muestra en la figura. • Móntalos sobre el doblez que va en el interior del frasco teniendo cuidado de que no se caigan y que puedan girar fácilmente. • Frota vigorosamente la varilla de vidrio en el pedazo de lana unas 8 o 10 veces y acércala al doblez del alambre que sobresale de la tapa. • Observa el comportamiento de los cuadritos de aluminio. ¿Qué sucede? ¿A qué se deberá esto? Figura 2.77 Un electroscopio nos permite saber si un objeto está electrizado y el tipo de carga que tiene un objeto. • Anota el procedimiento que seguirías para identificar el signo de la carga que tiene un objeto, como la varilla de vidrio, por ejemplo. Realízalo. • Esquematiza tus observaciones. Interacción entre imanes Propósito: comprobar la interacción entre dos imanes. Material: Una regla de plástico o madera de 30 cm. Cinta adhesiva. Un pedazo de hilo de 20 cm. Dos imanes de barra. Procedimiento: • Coloca la regla en la orilla de la mesa, de tal manera que una mitad de la regla quede sobre la mesa y la otra mitad sobresalga por la orilla. Fija la parte que queda sobre la mesa con la cinta adhesiva. • Amarra por la mitad uno de los imanes con el hilo, fija a la regla el otro extremo del hilo con la cinta adhesiva, de tal manera que el imán quede suspendido en el aire. • Espera unos minutos hasta que el imán deje de girar. • Acerca progresivamente el extremo del otro imán a uno de los polos del imán suspendido. ¿Qué sucede? • Ahora, acerca el mismo extremo del imán al otro polo del imán suspendido. ¿Qué sucede? ¿A qué se deben los resultados obtenidos? Esquematiza tus observaciones.
