LICEO N° 1 JAVIERA CARRRERA DEPTO. BIOLOGIA NIVEL: 7° BÁSICO UNIDAD DE APRENDIZAJE Nº 7: FUERZA EN LA TIERRA Y EN EL ESPACIO En esta unidad estudiaremos algunos aspectos sobre la fuerza, sus propiedades y sus efectos. Estudiaremos también las leyes fundamentales de la Física referidas al movimiento de los cuerpos. Para ello te invitamos a leer comprensivamente este documento de trabajo y posteriormente a realizar las actividades propuestas para cada uno de los temas a estudiar. FUERZA EN LA TIERRA Y EN EL ESPACIO Generalmente, tenemos una idea de fuerza como algo relacionado con la acción de los músculos. Mientras más musculosa es una persona, más fuerza tiene. Esta es una idea bastante errada; puesto que, fuerza no es algo que se posee. Una persona puede poseer mayor capacidad para ejercer una fuerza. Muchos de los cambios que observamos a nuestro alrededor son el resultado de la interacción de fuerzas. Las fuerzas pueden producir movimientos, como por ejemplo, el desplazamiento de los automóviles, de las nubes, el despegue de los cohetes, etc. No obstante, las fuerzas no siempre hacen que un objeto se mueva, por ejemplo, un libro sobre la mesa experimenta fuerzas sobre él y sin embargo no se mueve. Al empujar, levantar, golpear un objeto e incluso al mantener un objeto en reposo, actúan fuerzas. A veces la fuerza que se ejerce es muy pequeña, como la necesaria para sostener un lápiz y otras muy grandes, como la que ejerce el mar sobre un trasatlántico. En ocasiones la fuerza aplicada es de corta duración, como en el caso de la fuerza que ejerce la raqueta de tenis sobre la pelota. Otras veces, la fuerza se ejerce por un largo intervalo de tiempo, como es el caso de la fuerza que ejerce el cable al sostener un teleférico. De lo anterior, se deduce entonces, que fuerza es una interacción entre dos o más cuerpos, o también, la acción que un cuerpo ejerce sobre otro en una dirección determinada. La fuerza se representa a través de un vector, por lo tanto quedará descrita por su magnitud, dirección y sentido. Para que exista fuerza deben haber dos cuerpos, el que ejerce la fuerza y el que recibe la acción de la fuerza. CARACTERÍSTICAS DE LAS FUERZAS: 1) Fuerza es una interacción entre dos cuerpos, el que la ejerce y el que la recibe. Las fuerzas no son propiedades de los cuerpos, sino el resultado de una acción mutua, es decir, de una interacción. La persona aplica una fuerza sobre la caja, haciendo que este se mueva. Entonces tenemos un cuerpo que ejerce una fuerza y otro que recibe la acción de la fuerza. Para identificar las fuerzas, nos hacemos las preguntas: ¿quién ejerce la fuerza?,¿quién recibe la acción de la fuerza? El cuerpo que ejerce la fuerza se llama agente y el que experimenta la acción de la fuerza se llama receptor. No debemos olvidar que la fuerza es una interacción simultánea, por lo tanto un cuerpo a veces es receptor y otra agente. ACTIVIDAD 1: 1.1 IDENTIFICANDO FUERZAS Observa la figura anterior y responde las preguntas argumentas siguientes: a) ¿Quién ejerce fuerza? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ b) ¿Quién recibe la acción de la fuerza? ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ c) ¿Quién es el agente? ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ d) ¿Quién es el receptor? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 1.2 ¿Puede haber fuerza si eliminamos la caja o la niña? Argumenta ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 2) Siempre las fuerzas actúan en pares, estas fuerzas se denominan acción y reacción. El hombre aplica fuerza sobre la muralla (fuerza de acción), a su vez, la muralla ejerce fuerza sobre las manos del hombre (fuerza de reacción). Si un objeto ejerce fuerza sobre otro, entonces el segundo también ejerce fuerza sobre el primero. Las fuerzas son el resultado de una interacción. No es posible que un cuerpo A ejerza fuerza sobre otro cuerpo B, sin que a su vez, el cuerpo B ejerza fuerza sobre el cuerpo A. (Tercera ley de Newton) 2.1 Cuando tú estás sentada en tu silla para hacer esta guía, indica quién ejerce la acción y la reacción respectivamente. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 3) Las fuerzas producen efectos sobre los cuerpos, al ser interacciones producen cambios en los cuerpos. Cambios en el movimiento: La fuerza es responsable de que un cuerpo comience a moverse, deje de moverse, vaya más rápido o más lento, cambie de dirección. Deformación: Algunos objetos se deforman al aplicarles una fuerza, esta deformación puede ser definitiva o temporal. 3.1 Indica el efecto que tienen las fuerzas en las siguientes situaciones: a) El choque de un auto contra un a árbol ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ b) Inflar un globo. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ c) Empujar un mueble: ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 4) Las fuerzas entregan o extraen energía de un cuerpo: Las fuerzas no se pueden almacenar, no se “gastan” ni se “hacen”. Duran mientras exista la interacción y se aplican o ejercen” El enfermero entrega energía a la silla de ruedas, para que esta se mueva. 4.1 Indica situaciones de la vida cotidiana donde se cumpla el principio físico que dice que las fuezas no se pueden hacer ni gastar. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ MEDICIÓN DE LAS FUERZAS En el sistema internacional de unidades la fuerza se mide en una unidad llamada Newton (N). Para medir una fuerza, como el peso, se utiliza un instrumento llamado dinamómetro. 1 Newton (N) es la fuerza que proporciona a un objeto de 1 kg de masa una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado N= kg x m/s2 Un dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerzas. Fue inventado por Isaac Newton y no debe confundirse con la balanza (instrumento utilizado para medir masas). Estos instrumentos consisten generalmente en un resorte contenido en un cilindro de plástico, cartón o metal, con dos ganchos, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala, en unidades de fuerza, en el cilindro hueco que rodea el resorte. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho inferior, el cursor del cilindro inferior se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza. Los resortes que forman los dinamómetros presentan un límite elástico, de tal modo que si se aplican fuerzas muy grandes y se producen alargamientos excesivos, se puede sobrepasar el límite de elasticidad; en esas condiciones, el resorte experimenta una deformación permanente que conlleva la inutilización del dinamómetro. ACTIVIDAD 2: MIDIENDO FUERZAS 2.1 ¿Con qué tipo de instrumento se miden las fuerzas? Explica. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 2.2 ¿En qué unidades se expresan la medición de las fuerzas? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 2.3 ¿Qué es un Newton? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 2.4 ¿Cómo harías un dinamómetro y para que te serviría? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 2.5 Supongamos que una silla de tu sala de clase, pesa 10 Newton (N), ¿pesaría lo mismo en la luna? Argumenta ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ REPRESENTACIÓN DE LA FUERZA Magnitud, es todo aquello que se puede medir, por ejemplo la masa de un cuerpo, la velocidad con que se mueve un automóvil, la fuerza que hay que aplicar a un objeto para que se mueva, son ejemplos de magnitudes. En física existen magnitudes vectoriales y magnitudes escalares. Las magnitudes escalares se especifican completamente mediante un número y la unidad de medida, por ejemplo la masa, se mide en kilogramos (kg) o la temperatura que se mide en grados Celsius (ºC). En cambio, para conocer completamente una cantidad vectorial, es necesario indicar su magnitud a través de un número, pero además su dirección y el sentido. La fuerza es una magnitud vectorial o direccional, al igual que la velocidad o la aceleración. Toda fuerza se caracteriza porque tiene una intensidad, una dirección y un sentido determinado. Las fuerzas se representan gráficamente mediante vectores. Un vector es un segmento orientado (flecha), que se caracteriza por cuatro componentes: 1. El módulo o intensidad o magnitud, es el número, es cuánto mide la fuerza. Si la intensidad es un número grande, la fuerza es grande; si, por el contrario, es un número pequeño, la fuerza es pequeña. La unidad en la que se mide la intensidad de una fuerza es el Newton (N). Magnitud= Intensidad = Módulo Sentido 2. La dirección es la recta sobre la que se aplica la fuerza. 3. El sentido indica hacia donde se aplica la fuerza. En una misma dirección existen dos sentidos posibles. 4. El punto de aplicación es el punto del espacio en que se aplica fuerza. Los vectores se dibujan siempre a partir del cuerpo receptor, con la dirección y el sentido correspondiente. ACTIVIDAD 3: REPRESENTANDO FUERZAS. 3.1 Diferencia entre magnitudes escalares y vectoriales, indica un ejemplo en cada caso. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 3.2 ¿Qué tipo de fuerza representa la flecha de esta imagen? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 3.3 En este vector indica lo que representa cada uno de los números señalados y haz una breve descripción de cada uno de ello 2 1 3 4 COMPOSICIÓN DE LAS FUERZAS Cuando sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, el efecto conjunto puede venir representado por una única fuerza que hace el efecto de todas y que se llama Fuerza resultante (FR) o Fuerza Neta. Fuerzas con la misma dirección: Cuando las fuerzas tienen la misma dirección, resulta muy sencillo calcularlas. Existen dos casos posibles: a) Fuerzas con igual Dirección y Sentido: Si las fuerzas tienen el mismo sentido, sus efectos se suman. La fuerza resultante tendrá en este caso la misma dirección y sentido, y su módulo será igual a la suma de los módulos de ambas fuerzas. FResultante = F1 + F2 b) Fuerzas con igual dirección y sentidos opuestos: Si las fuerzas tienen sentidos opuestos, sus efectos se restan. La fuerza resultante tendrá en este caso la misma dirección, estará orientada en el sentido de la fuerza de mayor módulo, y su módulo será igual a la resta de los módulos de ambas fuerzas. FResultante = F1 - F2 Fuerzas con distinta dirección: Las fuerzas además pueden ser aplicadas en distinta dirección, y formar un cierto ángulo a) Las fuerzas forman un ángulo de 90º b) Las fuerzas forman un ángulo distinto de 90° Fuerzas en equilibrio En el caso de fuerzas con igual dirección y sentidos contrarios, ¿qué sucede si los valores de F1 y F2 son iguales? FR = F1 - F2 = 0 FR = 0 Cuando sumamos dos fuerzas con la misma dirección, distintos sentidos y módulos iguales, la fuerza resultante es nula: FR = 0. Solemos pensar que los cuerpos en reposo no están sometidos a fuerzas. Lo cierto es que, en general, los cuerpos en reposo interaccionan con otros cuerpos, normalmente también en reposo, de tal forma que las fuerzas sobre cada uno de ellos ejercidas por los otros se compensan. Este par de fuerzas aplicadas simultáneamente sobre el libro se anulan y no producen cambios en el movimiento del libro. Cuando la fuerza resultante es nula (las fuerzas se compensan entre sí), el cuerpo está en equilibrio. Un cuerpo en movimiento también puede estar en equilibrio, si las fuerzas actuando sobre un cuerpo están equilibradas, entonces el cuerpo puede estar en reposo o moviéndose a velocidad constante. (Primera Ley de Newton). Fuerzas No Equilibradas Cuando las fuerzas que actúan sobre un cuerpo no tienen la misma intensidad, las fuerzas no están en equilibrio. Si las fuerzas no están equilibradas provocan efectos sobre los cuerpos. Estos efectos, como ya vimos anteriormente pueden ser la deformación de los cuerpos o el cambio de movimiento de estos. ACTIVIDAD 4: COMPOSICIÓN DE LAS FUERZAS 4.1 Según lo que has aprendido interpreta la siguiente imagen según lo siguientes puntos de vistas: a) ¿Cuál es la fuerza resultante? _______________________________________________________ _______________________________________________________ b) ¿El cuerpo está en reposo o en movimiento? Argumenta ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ c) ¿Qué tienen de distinto esta fuerzas? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ d) ¿Qué efecto tienen estas fuerzas sobre el objeto? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 4.2 Con respecta esta figura, responde las siguientes preguntas, argumentando en cada caso. a) ¿Cuál es la fuerza resultante? _________________________________________________________ _________________________________________________________ b) ¿El cuerpo está en reposo o en movimiento? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ c) ¿Qué tienen de distinto estas fuerzas? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ d) ¿Qué efecto tienen estas fuerzas sobre el cuerpo? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 4.3 Con respecto esta figura, responde las siguientes preguntas, argumenta en cada caso. a) ¿Cuál es la fuerza resultante? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ b) ¿El cuerpo está en reposo o en movimiento? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ c) ¿Qué tienen de distinto esta fuerzas? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ d) ¿Qué efecto tienen estas fuerzas sobre el cuerpo? ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ EFECTOS DE LAS FUERZAS SOBRE LOS CUERPOS. Como ya se ha establecido que cuando una fuerza actúa sobre un objeto puede producir distintos efectos: el movimiento acelerado de un cuerpo, como la fuerza del motor de un vehículo para moverlo desde el reposo y aumentar su velocidad; la deformación temporal de sólidos elásticos, como al apretar un globo o un resorte, o la deformación definitiva de un cuerpo, como al modelar un trozo de greda o de plasticina. Deformaciones: a) Deformación temporal: Se presenta en cuerpos elásticos, por ello los cuerpos pueden recuperar su forma anterior. Ejemplo, el resorte recupera su forma anterior, siempre y cuando la fuerza n sobrepase su límite de deformación. b) Deformación indefinida: Se presenta en cuerpos no elásticos, en este caso la deformación durará indefinidamente, aun después de ser aplicada la fuerza. Los niños modelan la arcilla, esta deformación permanecerá en el tiempo, a menos que otra fuerza las deforme nuevamente. Los cuerpos son elásticos dentro de ciertos límites. Si a un cuerpo, como un resorte, se le aplica una fuerza de intensidad suficientemente elevada, el resorte no volverá a su estado original, puesto que se sobrepasará su límite de elasticidad. Si a un cuerpo, como una rama de un árbol, se le aplica una fuerza muy elevada, el cuerpo se puede romper, puesto que se sobrepasará el límite de ruptura del cuerpo. Un dinamómetro basa su funcionamiento en un resorte que sigue esta ley, siendo las deformaciones proporcionales a la fuerza aplicada. Cambios en el movimiento Es común que cuando se habla de un cuerpo en movimiento, se le asocie de inmediato con un cambio de lugar o posición. Así, de esta forma, decimos que nos movemos al caminar, que los automóviles que pasan por la calle se desplazan, o que la Luna se mueve. Sin embargo, esta concepción de movimiento, es imprecisa. Todo se mueve. Hasta las cosas que parecen estar en reposo se mueven respecto al sol y las estrellas, es decir, su movimiento es relativo a estos astros. Un libro que está en reposo respecto a la mesa sobre la cual se encuentra se mueve a unos treinta kilómetros por segundo en relación con el sol (velocidad de la Tierra respecto al sol). El movimiento es un cambio de posición respecto de un sistema de referencia El movimiento, al igual que el reposo, es un fenómeno totalmente relativo, es decir, ocurre respecto de algo. A este “algo” le llamaremos sistema de referencia. Un sistema de referencia es un punto, marco o sistema de coordenadas desde el cual observamos y describimos el movimiento, y que, por supuesto, debemos considerar si está en reposo o fijo. La selección del sistema de referencia es algo totalmente arbitrario, es decir, depende del observador. Cualquier objeto o persona que permanezca en reposo respecto al cuerpo que se mueve puede ser elegido arbitrariamente como un sistema de referencia, en el que es importante especificar un punto que llamaremos origen. Galileo y los Sistemas de Referencia. En el Siglo XVII, Galileo Galilei, un físico florentino, se atrevió a desafiar algunas de las ideas “científicas” más arraigadas en los sabios de su época al declarar públicamente que el Sol y los demás planetas no giran en torno a la Tierra, por el contrario, nuestro planeta se encuentra en movimiento en torno a nuestra estrella madre. Esta situación, que a Galileo le valió ser amenazado por la Inquisición a retractarse públicamente de sus afirmaciones, refuerza una idea central de la física: “el movimiento de los cuerpos es relativo”. En efecto, durante muchos siglos la humanidad pensó que la Tierra era el centro del Universo y que permanecía fija mientras que todos los demás astros se movían en torno a ella. Es decir, la Tierra constituía un sistema de referencia absoluto, lo que parecía verse confirmado por las limitadas observaciones y el escaso conocimiento del Universo. No obstante, sabemos que no hay sistemas de referencia privilegiados sino que son totalmente arbitrarios, es decir, son elegidos por el observador. Galileo Galilei (1564 -1642), astrónomo, filósofo, matemático y físico italiano del Renacimiento. Sus logros incluyen la mejora del telescopio, gran variedad de observaciones astronómicas, la primera ley del movimiento y un apoyo determinante para el copernicanismo. Ha sido considerado como el “padre de la astronomía moderna”, el “padre de la física moderna” y el “padre de la ciencia”. Como ya hemos señalado, para describir el movimiento de un cuerpo, lo primero que se requiere es un sistema de referencia, pero además debemos tener claro algunos elementos claves: Actividad 5.0: Según lo que has aprendido respect al efecto de las fuerzas y a la relatividad del movimiento responde las siguientes preguntas: ACTIVIDAD 5: EFECTOS DE LAS FUERZAS SOBRE LOS CUERPOS. 5.1 Haz un mapa conceptual sobre todos los efectos que pueden tener las fuerzas que actúan sobre los cuerpos. 5.2 ¿Estarías de acuerdo en afirmar que en este momento que estás sentada en tu silla, tu no permaneces en reposo? Argumenta ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 5.3 Galileo Galilei afirmó que el movimiento o el reposo de los cuerpos, es relativo. Explica el sentido de esta afirmación. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ Movimiento Periódico y Acelerado Cuando un cuerpo se desplaza iguales distancias en iguales intervalos de tiempo, se dice que es un movimiento periódico. Se denomina movimiento acelerado a cualquier movimiento cuya velocidad no permanezca constante, es decir, un movimiento en el cual la velocidad aumente, disminuya o cambie de dirección. Movimientos Periódicos Denominaremos movimiento periódico a aquel que se repite a sí mismo en un ciclo regular y a cada uno de esos ciclos completos denominaremos una oscilación. Por tanto, un movimiento periódico son movimientos cíclicos que se repiten en intervalos iguales de tiempo. Todos los cuerpos que se mueven con un movimiento periódico tienen siempre una posición en la cual se encuentran en equilibrio. Cuando se separan de esta posición y se liberan, aparece una fuerza que tiende a regresarla a su posición de equilibrio, esta fuerza se conoce como fuerza restauradora. El movimiento periódico más simple es el que efectúa un péndulo. Los movimientos periódicos se describen por medio de su amplitud, periodo, frecuencia. Amplitud: Desplazamiento máximo (longitud) efectuado por el cuerpo a partir de la posición de equilibrio. Se mide en metros. Periodo: Se define como el tiempo que se demora en realizar una oscilación completa o completar un ciclo. Se mide en segundos, horas, días, años. Es inversamente proporcional a la frecuencia. periodo 1 frecuencia Frecuencia: Cantidad de ciclos que el cuerpo efectúa en una unidad de tiempo. Se mide en Hz: 1 Hz: 1 / segundos frecuencia 1 periodo El movimiento de un péndulo es periódico, pues sus variables se repiten de forma constante tras un cierto tiempo. La velocidad del péndulo en su movimiento adopta posiciones máximas en el centro y mínimas en los extremos, por ello también se denomina movimiento oscilatorio. Observamos un punto de máxima separación del centro (coincide con el valor de mínima velocidad) y un mínimo de separación en el centro (máxima velocidad). Todos los planetas y satélites siguen movimientos periódicos, por ejemplo la tierra se traslada alrededor del sol con un periodo de 365 días y 6 horas, pero a su vez, la tierra rota sobre su eje cada 24 horas; mientras que nuestro satélite, la luna, rota sobre su eje y se traslada y alrededor de la tierra cada 28 días, por eso, desde la tierra siempre vemos la misma cara de la luna. Movimiento acelerado En nuestra vida cotidiana, no todos los movimientos son periódicos. En la mayoría de los casos, los movimientos siguen distintas trayectorias. Pensemos en un carro de montaña rusa. En este caso, el movimiento no es rectilíneo, sino curvilíneo. Sin embargo, no es solo la trayectoria lo que nos llama la atención, sino su rapidez. En efecto, esta magnitud cambia constantemente en este vehículo. Parte lentamente hasta llegar a la zona más alta luego cae, aumentando su rapidez y nuevamente sube por la pista, disminuyendo su movimiento. De hecho, hay puntos donde se mueve tan lentamente que casi pareciera quedar en reposo. Se denomina movimiento acelerado a cualquier movimiento cuya velocidad no permanezca constante, es decir, un movimiento en el cual la velocidad aumente, disminuya o cambie de dirección. Un cuerpo tiene movimiento acelerado cuando su velocidad está cambiando, ya sea en magnitud, en dirección o en sentido. Hay ocasiones en que de manera errónea llamamos “acelerado” a un cuerpo que se mueve muy rápidamente, pero que, sin embargo, lo hace con velocidad constante. También es muy común que se asocie la aceleración únicamente con un aumento de la velocidad, en circunstancias que la aceleración corresponde a cualquier cambio de velocidad, cuando el cuerpo está frenando inclusive. Trayectoria y desplazamiento TRAYECTORIA: La trayectoria (distancia recorrida) es una magnitud escalar y corresponde al camino recorrido por un cuerpo para ir de un lugar a otro. Por ejemplo para ir de tu casa al colegio puedes elegir muchos caminos algunos curvos, rectilíneos, etc., cada uno de ellos corresponde a trayectorias distintas. Se define como trayectoria de un cuerpo a la línea formada por los puntos representativos de las distintas posiciones que sucesivamente va ocupando este en el espacio. Es decir, corresponde a la curva que describe un cuerpo en su movimiento (es la “forma” del camino). La distancia recorrida (d) es la longitud de la trayectoria, consiste en la distancia efectivamente recorrida por el móvil al desplazarse. DESPLAZAMIENTO: A diferencia de la trayectoria el desplazamiento es uno sólo, y contempla la distancia más corta entre la posición inicial y final. Es una magnitud vectorial, que se simboliza con una letra d El desplazamiento es el cambio de posición que experimenta el cuerpo. El desplazamiento no es necesariamente una línea real, es simplemente una magnitud que permite estimar el cambio de posición. El auto puede seguir caminos distintos, cada uno corresponde a una trayectoria diferente. Sin embargo el desplazamiento es uno sólo y corresponde a la línea recta que va desde el inicio hasta el final. De acuerdo con su trayectoria, los movimientos pueden clasificarse en: curvilíneos (como el que desarrolla una abeja en torno a una flor) o rectilíneos (como la caída de un cuerpo). Es importante señalar que para ir desde una posición a otra existen infinitas trayectorias posibles, sin embargo, el desplazamiento es siempre uno solo. RAPIDEZ Y VELOCIDAD a b c )) que se ocupa para indicar cuán deprisa se mueve ) un objeto. Relaciona la Rapidez (V): Es una magnitud escalar distancia recorrida (d) con el tiempo (t) empleado en recorrerla. Se representa por la letra V. Rapidez distancia recorrida tiempo empleado v d t En el sistema internacional de unidades (S.I.) la distancia se mide en metros (m) y el tiempo en segundos(s) la rapidez queda expresada en metros / segundos (m/s). Es posible obtener la rapidez de un móvil, conociendo la distancia recorrida y el tiempo empleado en recorrerla. ¿Cuál es la rapidez del automóvil en la figura? Velocidad: es una magnitud vectorial, que indica cuán de prisa y hacia donde se mueve un objeto, ya que relaciona el desplazamiento con el tiempo empleado en realizar el movimiento. Se representa con v . d v t desplazami ento Velocidad tiempo empleado En el sistema internacional de unidades el desplazamiento se mide en metros (m) y el tiempo en segundos(s) la velocidad queda expresada en metros / segundos (m/s). La dirección en grados y el sentido de acuerdo al eje de referencia que sea utilizado. Es posible obtener la velocidad de un móvil, conociendo el desplazamiento y el tiempo empleado. ¿Cuál es la velocidad del automóvil en la figura? Aceleración La aceleración es la magnitud física vectorial que mide la variación de la velocidad respecto del tiempo. En el Sistema Internacional de Medidas se expresa en metros sobre segundos al cuadrado (m/s2) velocidad aceleració n tiempo v a t La aceleración es un cambio de velocidad que experimenta un cuerpo, ya sea en dirección o en módulo. Es decir, cuando un cuerpo aumenta su velocidad, la disminuye o bien, cambia de dirección. Operacionalmente es el cambio de velocidad que experimenta el cuerpo en una unidad de tiempo. ACTIVIDAD 6: TIPOS DE MOVIMIENTOS DE LOS CUERPOS. Respecto a este tema resuelve lo siguiente: 6.1 Diferencia entre trayectoria y desplazamiento de un cuerpo, ejemplifica ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 6.2 Diferencia entre Rapidez, velocidad y aceleración. Ejemplifica ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 6.3 ¿Qué son los movimientos periódicos y los movimientos acelerados? Explica y ejemplifica. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 6.4 Explica cómo se calcula la velocidad y la aceleración del movimiento de un cuerpo. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 6.5 Con respecto al movimiento de un péndulo, explica los siguientes conceptos: a) amplitud. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ b) periodo. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ c) frecuencia. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Las leyes de Newton Isaac Newton (1643-1727) fue un científico inglés que, inventó el dinamómetro, y es en honor a él que la unidad de la fuerza se denomina Newton. Las tres leyes del movimiento de Isaac Newton, fueron publicadas en 1687 en su obra “Principios matemáticos de la Filosofía natural”. Estas leyes, junto con la relatividad del movimiento (Galileo), constituyen la base del estudio del movimiento. Primera ley de Newton o ley de la Inercia El principio de inercia o primera ley de Newton, fue enunciada formalmente por Isaac Newton en 1685, quien tomó las ideas de Galileo en torno a la inercia. “Si no existen fuerzas externas que actúen sobre un cuerpo, este permanecerá en reposo o se moverá con una velocidad constante en línea recta”. Dicho de otra manera: en ausencia de fuerzas externas, un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento de velocidad constante continúa en movimiento con velocidad constante (en línea recta). Es decir todo objeto tiene tendencia a mantener su estado de movimiento en ausencia de fuerzas. Esta tendencia se denomina inercia. La inercia es la resistencia que presenta un cuerpo al cambio en el movimiento; Si has ido en un vehículo que ha frenado de improviso y tú has debido detenerte con tus propias manos, has experimentado lo que es la inercia. La inercia es, básicamente, “la incapacidad de un cuerpo para cambiar su estado de movimiento o reposo por sí mismo”, es decir, para que un cuerpo cambie su movimiento o reposo es necesaria la acción de una fuerza externa al cuerpo. El movimiento termina cuando fuerzas externas de fricción actúan sobre la superficie del cuerpo hasta que se detiene. Por esta razón el movimiento de un objeto que resbala por una superficie de hielo dura más tiempo que por una superficie de cemento, simplemente porque el hielo presenta menor fricción que el cemento. Galileo expuso que si no existe fricción, el cuerpo continuará moviéndose a velocidad constante, ya que ninguna fuerza afectará el movimiento. LA P RI M E RA L E Y D E N E W T ON N OS E XP L I CA Q U E S U CE DE C ON U N C UE R P O CU A ND O S OB RE É L N O A C T Ú A F U E R ZA RE S U L T ANT E , PE RM A NE CE E N RE P OS O O CON M OV I M I E N T O D E V E L O C I D A D C O NS T AN T E E N L Í N E A RE C T A . T AM B I É N N O S PE R M I T E I DE NT I FI CA R A L A F U E R ZA C OM O L A C AU S A DE L C AM B I O E N E L M OV I M I E NT O . Segunda ley de Newton o ley fundamental de la dinámica “Si se aplica una fuerza a un cuerpo, éste se acelera. La aceleración se produce en la misma dirección que la fuerza aplicada y es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se mueve.” La fuerza y la aceleración son magnitudes vectoriales por lo que tienen un valor, una dirección y un sentido. La fórmula que expresa la segunda ley de Newton es: Fuerza (N)= masa (kg) x aceleración (m/s2) F=mxa Cuando la masa del cuerpo aumenta, la aceleración disminuye. Tercera ley de Newton: Acción y Reacción “Si un cuerpo ejerce fuerza en otro cuerpo, el segundo cuerpo produce una fuerza sobre el primero con igual magnitud y en dirección contraria. La fuerza siempre se produce en pares iguales y opuestos” La fuerza que impulsa un cuerpo genera una fuerza igual que va en sentido contrario. El cuerpo A y el cuerpo B se ejercen fuerza mutuamente, dichas fuerzas poseen la misma magnitud y dirección, pero diferente sentido. LA T E RCE RA L E Y D E N E W T ON N OS T R A NS M I T E E L C ON CE P T O DE Q UE L AS FU E R ZA S S O N S I E M P RE I N T E R A C C I O N E S E N T RE D O S CUE R P O S Observaciones: a) Las fuerzas de acción y reacción son simultáneas. b) Son fuerzas de igual magnitud, pero opuestas. c) Como actúan sobre cuerpos diferentes, ejercen efectos diferentes, de acuerdo con la naturaleza de cada cuerpo. d) Estas fuerzas no se anulan entre sí porque no actúan sobre el mismo cuerpo. CLASIFICACIÓN DE LAS F U E R ZA S Se ejerce fuerza cuando arrastramos un carrito de supermercado, si acercamos dos imanes, también se ejerce fuerza ya sea de atracción o de repulsión. Como vemos las fuerzas se pueden ejercer ya sea a través del contacto físico entre cuerpos o a distancia. Existen fuerzas a distancia, como la atracción gravitatoria (la que se ejercen los cuerpos debido a su masa), y la atracción o repulsión entre cargas eléctricas o imanes. Estas fuerzas se ejercen en el vacío y no necesitan medio que las transmita. Existen por otro lado las fuerzas de contacto, como las fuerzas elásticas, cada vez que haya una deformación reversible: de fricción, al rozar las dos superficies de cuerpos sólidos en contacto o entre sólidos, líquidos y gases y las fuerzas de vínculo más comúnmente conocidas como normal ya que son perpendiculares a la superficie de contacto entre los cuerpos. Fuerzas a distancia: Son aquellas que ejercen los cuerpos sin necesidad de estar en contacto directo, como la atracción que ejerce un imán sobre los clavos de hierro (fuerza magnética), o la atracción que ejerce la tierra sobre los cuerpos (fuerza de gravedad o Peso); la fuerza eléctrica también es ejemplo de fuerzas a distancia. Fuerza Peso: ¿Cuál es tu peso? La mayor parte de las personas que responde rápidamente a esta pregunta, nos da una respuesta que si bien es aceptada, desde el punto de vista de la física, no es correcta. En efecto, la mayoría de las personas responde a esta pregunta con el valor de su masa (por ejemplo, 60 kilogramos). Sin embargo, aún cuando esta propiedad está asociada al peso, no son lo mismo. La masa es una medida de la inercia. La inercia es la oposición de un cuerpo a cambiar su estado, ya sea, de reposo o movimiento. (Primera ley de Newton). El pePESO es la fuerza que ejerce la Tierra sobre una masa (cuerpo), atrayéndolo hacia su centro. Se define operacionalmente como el producto entre la masa y la aceleración de gravedad. La aceleración de gravedad tiene un valor promedio constante (g = 9.8 m/s 2 ). Como todas las fuerzas, el peso no es propiedad del cuerpo, sino la manifestación de una interacción (en este caso, gravitacional o gravitatoria). Peso (N) = masa (kg) aceleración de gravedad (N/kg): P=mxg En la figura anterior la manzana cae debido a su peso, es decir producto de la fuerza que la Tierra ejerce sobre ella. Un cuerpo tiene la misma masa en la Tierra, flotando en el espacio o en otro planeta; sin embargo, el peso es distinto. El peso es proporcional a la masa (m), pero ambas magnitudes no son ni equivalentes ni sinónimas. En efecto, la masa de un cuerpo se mantiene constante, mientras que el peso no solo varía en diferentes lugares del Universo sino que en la propia Tierra. El peso registrado por el instrumento es mayor en la Tierra que en otro lugar del espacio, pero la masa del niño es siempre la misma. Comúnmente decimos que el peso es una fuerza que apunta verticalmente hacia “abajo”. Sin embargo, es preferible decir “hacia el centro de la Tierra”, ya que el “arriba” o “abajo”, es una condición muy subjetiva. Newton y la Fuerza de gravedad: ¿Por qué un cuerpo cae hacia la Tierra y por qué la Luna gira alrededor de la Tierra sin precipitarse sobre nosotros? ¿Por qué la Tierra gira alrededor del Sol y no continúa su viaje espacial en línea recta? A partir de sus experiencias y sus observaciones, Isaac Newton concluyó que la ley de la fuerza que gobierna el movimiento de los planetas era la misma que atrae a una manzana hacia la Tierra. En 1687 Newton publicó su trabajo sobre la ley de gravedad en sus Principios matemáticos de filosofía natural, donde enunciaba la ley gravitación universal, donde establece que: todos los cuerpos con masa en el universo se atraen unos a otros mediante la fuerza de gravedad. La intensidad de esta fuerza depende de la masa de los objetos y la distancia entre ellos; es decir, mientras mayor sea la masa de los cuerpos y más cerca se encuentren unos de otros, más intensa será la fuerza de gravedad entre ellos. Si las partículas tienen masa m1 y m2, y están separadas por una distancia d, la magnitud de esta fuerza gravitacional es: F G m1 m2 d2 Donde G es una constante que recibe el nombre de constante gravitacional universal, la cual se ha determinado experimentalmente y corresponde a G = 6,67 x 10-11 Nm2/kg2 La Tierra ejerce una fuerza sobre todos los cuerpos (fuerza de gravedad) que depende de su masa respectiva, de la distancia a cada cuerpo y de la masa de la Tierra. Esa fuerza es muy grande con relación a la masa de cada cuerpo y la acción que ejerce la Tierra les obliga a precipitarse sobre el suelo. Sin embargo esa fuerza es muy pequeña para desplazar a la Tierra de su posición o desviar su trayectoria. La Tierra atrae a la Luna con una acción tal que sólo, y nada menos, puede hacer variar la dirección de su movimiento, obligándola a evolucionar alrededor de la Tierra. La Luna ejerce una fuerza igual y de signo contrario sobre la Tierra, pero la masa de la tierra es muy grande para desviar su trayectoria, sin embargo, como se verá, sí que influye sobre la altura de las mareas. La acción que ejerce la Tierra sobre la Luna, es igual y de sentido opuesto a la reacción de la Luna sobre la tierra. Ambas fuerzas se encuentran aplicadas sobre el centro de la Luna y de la Tierra, respectivamente, y su dirección es la de la línea que los une. Del mismo modo podemos plantear la existencia de dos fuerzas iguales y de sentido opuesto cuando se trata de fuerzas eléctricas que son también fuerzas a distancia. Fuerzas de contacto: Son aquellas que ejercen los cuerpos cuando se encuentran en contacto directo, como el empujar un mueble o cuando un futbolista golpea la pelota. Ejemplos de fuerzas de contacto, son la fuerza normal, la fuerza de roce y la acción muscular. Fuerza normal: ¿Qué ocurriría si sobre un cuerpo que dejamos sobre una mesa, actuara solamente la fuerza peso? Obviamente, si solo actuase el peso, el cuerpo se movería aceleradamente hacia el centro de la Tierra. Sin embargo, el cuerpo descansa en equilibrio sobre la mesa ya que actúa también una fuerza denominada Normal (N), la cual aparece siempre que hay dos superficies en contacto. En este caso, la fuerza impide que el cuerpo caiga o se hunda en la mesa. La fuerza Normal es una fuerza “de contacto”; existe siempre que hay dos o más cuerpos en contacto y su dirección es perpendicular (Normal) a la superficie entre ambos cuerpos. En una gran cantidad de casos, la fuerza Normal tiene el mismo módulo y dirección que el peso, pero en sentido opuesto. Esto ocurre cuando, por ejemplo, el cuerpo está sobre una superficie horizontal, en reposo vertical y sobre él no actúan más fuerzas que el peso y la Normal. Sin embargo, esto no es necesariamente así en todos los casos. La intensidad de la fuerza normal alcanza su máximo valor cuando la superficie sobre la que está el cuerpo es horizontal y disminuye a medida que la superficie se inclina. Fuerza de roce: Te has fijado en lo que ocurre con el movimiento de un cuerpo que es impulsado horizontalmente sobre una superficie? Obviamente hay una fuerza que actúa sobre él modificando su movimiento. A esta fuerza que es ejercida por la superficie, se le denomina fuerza de roce. El roce o fricción es una fuerza de contacto que impide que los cuerpos se deslicen fácilmente uno sobre otro. Más que oponerse al movimiento, las fuerzas de roce se oponen al deslizamiento relativo de dos superficies en contacto. Estas fuerzas no siempre tienen un efecto negativo ya que nosotros podemos desplazarnos y las ruedas pueden rodar gracias al rozamiento con el piso. Hablaremos de roce mecánico, cuando la de superficie sobre la que se esta aplicando la fuerza es un sólido. Esta fuerza de roce podrá ser deslizante, cuando las dos superficies en contacto se deslicen una sobre la otra, en este caso, entre más rugosa sea una de las superifcies, la fuerza de roce sera mayor. O bien, la fuerza de roce sera rodante, cuando un cuerpo gira sobre el otro, como en el caso de las ruedas de la bicicleta. Esta fuerza en general, es menor que la de roce deslizante. Además de las fuerzas de roce mecánico, que se oponen al deslizamiento, existen las fuerzas de roce viscoso, que se oponen al movimiento de un cuerpo en medio de un fluido (líquido o gas). Esta fuerza es la que permite el uso del paracaídas como dispositivo de seguridad y la que nos permite desplazarnos en el agua mediante el nado. Existen dos tipos fricción o fuerzas de roce mecánico: el roce estático y el roce cinético. Estas fuerzas son paralelas a la superficie de contacto y dependen de dos factores: la naturaleza de las superficies en contacto y la magnitud de la fuerza Normal. Roce estático: Es aquel que impide que un objeto inicie un movimiento y su valor depende de la "rugosidad" que hay entre las superficies en contacto. A mayor rugosidad mayor es el roce estático, y mayor será la fuerza necesaria para empezar a mover el objeto. Esta fuerza puede existir incluso cuando no hay deslizamiento. Pensemos por ejemplo en una mesa que está quieta. Si sobre la mesa no se ejerce fuerza horizontal, tampoco hay fuerza de roce. Pero supongamos ahora que una persona intenta empujar la mesa. Esa persona ejerce una fuerza horizontal, pero la mesa no se mueve, así que debe existir otra fuerza sobre el escritorio que evita que se mueva. Esta es la fuerza de roce estático. Si se empuja con una fuerza mayor sin mover la mesa, la fuerza de roce estático también aumenta. Si se empuja suficientemente fuerte, la mesa en algún momento se moverá y comenzará a actuar el roce cinético Roce cinético: Es aquel que se opone al movimiento una vez que este ya se ha iniciado y su valor también depende de la "rugosidad" que hay entre las superficies en contacto. A mayor roce cinético mayor será la fuerza necesaria para mantener el movimiento del objeto. El roce está presente en muchos fenómenos naturales, por ejemplo, una pelota al caer, experimenta roce con el aire. El roce cinético es una fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo. Es contrario al sentido de la velocidad del objeto y es menor que el roce estático. Acción muscular: ¿Qué es lo que permite que nuestro cuerpo se mueva? La presencia en nuestro cuerpo de estructuras especializadas en el movimiento, es lo que nos permite correr, saltar y jugar día a día. El sistema locomotor, formado por los músculos, que tiene la capacidad de contraerse y relajarse, es el responsable de que podamos movernos. ACTIVIDAD 7: LEYES DE NEWTON TIPOS DE FUERZA Respecto a este tema desarrolla las siguientes actividades: 7.1 ¿Quien fue Newton y por qué se nombra cuando se estudian los fenómenos físicos? Explica _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.2 ¿Qué establece la primera ley de Newton? Explica e indica ejemplos _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.3 ¿Qué establece la segunda ley de Newton? Explica e indica ejemplos _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.4 ¿Qué establece la tercera ley de Newton? Explica e indica ejemplos _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.5 Diferencia entre peso y masa. Indica ejemplos. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.6 ¿A qué se llama fuerza normal y en qué situaciones se manifiesta? Explica _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.7 ¿Qué tipo de fuerza es la gravitacional y qué la caracteriza? Explica _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.8 ¿Qué tipo de fuerza es la de roce y qué la caracteriza? Explica _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.9 ¿Qué otros tipos de fuerzas se pueden manifestar sobre los cuerpos? Explica. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7.10 Haz una síntesis de los conceptos relevantes que hemos estudiado en esta unidad. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________
