Telebachillerato de Veracruz. Quinto semestre Experimentos Temas Selectos de Física I

Telebachillerato de Veracruz
Quinto semestre
Experimentos
Temas Selectos de Física I
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimentos de Temas Selectos de Física I
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ................................................................................................ - 2 MEDIDAS DE SEGURIDAD ................................................................................ - 3 Instrucciones generales para el alumno: ......................................................... - 3 Normas de seguridad para el alumno: ............................................................. - 3 BLOQUE I.- APLICAS LA ESTÁTICA ................................................................. - 4 Base teórica y definiciones .............................................................................. - 4 VECTORES ..................................................................................................... - 4 Suma de Vectores por el Método Analítico ..................................................... - 6 Experimento 1: Fuerza .................................................................................. - 19 Experimento 2. Vectores, suma de vectores ................................................. - 21 Experimento 3. Cuerpos en equilibrio ............................................................ - 23 Experimento 4. Momentos de fuerza ............................................................. - 25 BLOQUE II.- CINEMÁTICA EN TU ENTORNO................................................. - 27 Experimento 5. Movimiento de rotación ......................................................... - 43 Experimento 6. Movimiento de traslación ...................................................... - 45 Experimento 7. Fuerza centrípeta .................................................................. - 47 Experimento 8. Fuerza centrífuga .................................................................. - 49 BLOQUE III.- ANALIZAS LA CINÉTICA ROTACIONAL. ................................... - 51 Base teórica y definiciones. ........................................................................... - 51 Experimento 9. Construcción de Soporte Universal ...................................... - 82 Experimento 10. Construcción de Poleas ...................................................... - 84 Experimento 11. Construcción de un Dinamómetro ...................................... - 86 Experimento 12. Velocidad y movimiento rectilíneo uniforme........................ - 88 Experimento 13. Movimiento rectilíneo uniforme variado .............................. - 91 Experimento 14. Movimiento Parabólico ....................................................... - 94 Experimento 15. Caída libre .......................................................................... - 96 Experimento 16. Rotación y traslación, fuerza centrífuga .............................. - 99 Experimento 17. Trabajo y energía, fricción ................................................ - 102 Experimento 18. Rozamiento, coeficiente de fricción .................................. - 106 Experimento 19. Poleas y trabajo ................................................................ - 108 Experimento 20. Impulso y cantidad de movimiento .................................... - 112 Experimento 21. Aceleración, fuerzas y masa ............................................. - 114 EXPLICACIÓN DE EXPERIMENTOS ............................................................. - 117 -
-1-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
INTRODUCCIÓN
El presente documento es un apoyo didáctico que complementa el desarrollo del
programa de estudio en el campo de Ciencias Naturales, con actividades
sugeridas para reforzar el contenido de la asignatura, y que además favorece el
trabajo en equipo y fortalece la consolidación del conocimiento, ya que requiere
tanto la demostración como la comprobación a través de la aplicación del método
científico.
Este manual no pretende señalar al profesor lo que debe hacer en cada una de
sus prácticas. Las propuestas didácticas que se incluyen son abiertas y ofrecen
amplias posibilidades de adaptación a las formas de trabajo de cada profesor, a
las condiciones en que labora, y a las necesidades y dificultades de aprendizaje
de los alumnos.
El presente trabajo se desarrolló a manera de un Manual de Prácticas de
Laboratorio, el cual se apega al contenido de las siguientes tres Bloques del
programa de la asignatura de TEMAS SELECTOS DE FÍSICA I:
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
Aplicas la estática
Cinemática en tu entorno
Analizas la cinética rotacional
Origen de una fuerza
Vectores
Cuerpos en equilibrio
Momentos de una fuerza
Movimiento de traslación y rotación
- Cantidades angulares
- Cantidades lineales
- Fuerza centrípeta
- Fuerza centrífuga
Movimientos de cuerpos rígidos
- 2ª Ley de Newton
Energía cinética rotacional
- Rotación y traslación
La secuencia de enseñanza-aprendizaje que se sugiere es desarrollar la práctica
en equipos de cuatro personas y terminar con sesión grupal.
Las prácticas de este Manual están diseñadas para que el alumno logre un
aprendizaje significativo. Tienen su fundamento en la práctica pedagógica del
constructivismo, de manera que el profesor actúa como guía y alumno participa
activamente resolviendo problemas y aprendiendo por descubrimiento.
-2-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Los materiales que se ocupan en estas prácticas son de uso común, como:
recipientes de plástico de diferentes capacidades, coladores, cilindros de metal,
tazas, vasos, plastilina, velas, jeringas desechables, mangueras de hule, cubetas,
cinta métrica, resortes, etc.
El material específico de laboratorio es mínimo: balanza probeta, termómetro y
dinamómetro. Las sustancias también son de uso común: glicerina, aceite, agua
de la llave, gasolina, sal y anticongelante.
Las prácticas tienen la característica de ser flexibles, pues los materiales y objetos
se pueden sustituir y no es necesario realizarlas en un laboratorio exclusivo para
la física. El enfoque que se presenta en este manual no es la única alternativa
para mejorar el aprendizaje de la física y no intenta ser una propuesta rígida
ni mecánica; por el contrario, permite que los maestros y alumnos trabajen con
libertad, lo cual favorece el aprendizaje significativo.
MEDIDAS DE SEGURIDAD
Los materiales que se emplearán serán de bajo riesgo, lo cual no excluye la
posibilidad de accidentes, por lo que te recomendamos tener en cuenta las reglas
de seguridad mínimas que se indican en este manual.
Instrucciones generales para el alumno:
1.- Lee cada experimento en su totalidad antes de empezar.
2.- Ten a la mano todos los materiales necesarios.
3.- Al realizar el experimento, no te precipites, sigue cuidadosamente cada paso,
no omitas ninguno.
4.- Si los resultados no son los descritos en el experimento, vuelve a leer las
instrucciones e inicia de nuevo desde el primer paso.
Normas de seguridad para el alumno:
1.- Sigue las instrucciones de tu asesor.
2.- Cualquier accidente debes de notificarlo de inmediato a tu asesor.
3.- Uso de bata blanca en el laboratorio para proteger daños a la piel o uniforme
escolar.
4.- Uso de zapato escolar para prevenir accidentes provocados por algún material.
5.- No consumas alimentos al momento de realizar los experimentos.
6.- Lávate las manos antes y después de realizar el experimento.
7.- Desarrolla tus experimentos con orden, limpieza y responsabilidad.
-3-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
BLOQUE I.- APLICAS LA ESTÁTICA
En el presente bloque se verá de manera práctica y sencilla como interactúan
diferentes fuerzas en un cuerpo para mantenerlo en equilibrio, para tal efecto
empezaremos con algunas definiciones básicas.
Base teórica y definiciones
Estática.- Es la parte de la Mecánica que estudia las leyes del equilibrio.
Muchas veces nos confundimos entre lo que es Estática y lo que es Dinámica,
por eso, antes de empezar a demostrar el equilibrio de los cuerpos,
especificaremos la diferencia entre dichas ramas de la Mecánica. La Estática
estudia el equilibrio de los cuerpos, es decir, aquellos cuerpos que se
encuentran tanto en reposo como en movimiento con velocidad constante;
mientras que la Dinámica estudia el comportamiento con movimientos
acelerados. En ambos casos es necesario que dos o más cuerpos interactúen
entre sí.
En efecto, la Fuerza es una magnitud física que sirve para explicar las
interacciones entre cuerpos, las cuales pueden darse por contacto o por
distancia.
Los efectos de las interacciones entre los cuerpos son muchos, sin embargo,
nosotros nos vamos a centrar inicialmente en la capacidad que tienen los cuerpos
para producir equilibrio.
Como las fuerzas son magnitudes vectoriales y como su medición nos da como
resultado una magnitud también vectorial, es necesario recordar cómo se operan
matemáticamente este tipo de cantidades.
VECTORES
Una Magnitud Escalar es el nombre de un concepto fundamental de algunas de
las ciencias exactas o naturales. En el caso específico de la Física son ejemplos
de magnitudes escalares el tiempo, la masa, el volumen, la distancia, la rapidez,
etcétera.
Se le llama cantidad escalar o módulo al resultado de medir una magnitud
escalar. Dicho resultado estará completo si se le representa a través de un
número acompañado de la unidad que se utilizó para efectuar la medición.
Ejemplos:
a)
25 h
b)
53 kg
c)
18 l
d)
122 m
e)
250 km/h
-4-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Magnitudes Vectoriales.- Para la física son aquellos conceptos que, además de
contar con un módulo, al ser medidos nos encontramos que al actuar sobre su
medio lo hacen con cierta dirección y sentido. Las principales magnitudes
vectoriales son el desplazamiento, la velocidad y la fuerza.
Las Cantidades Vectoriales también son el resultado de la medición de una
magnitud física pero, para que dicho caso quede bien definido, además de
expresar su módulo hay que indicar la dirección y sentido que tiene la magnitud
física medida.
Ejemplos:
1)
El Desplazamiento: Un borrego que camina 18 metros
(cantidad o módulo) hacia el sur (dirección) de su corral
(sentido).
2)
La Velocidad: Un alumno de bachillerato que vive al oeste y
cerca de su escuela (dirección y sentido), corre a una
velocidad de 3 metros por segundo (cantidad o módulo) para
no llegar tarde a su primera clase, que es de educación física.
3)
Fuerza: Para sacar un carro que cayó a un zanja, la grúa que
contraté para sacarlo debe jalar de él con una fuerza de 450
Newton (cantidad o módulo) hacia el norte (dirección y
sentido).
Si relacionamos y sobreponemos los puntos cardinales con los ejes cartesianos de
la siguiente forma:
-5-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Los ejemplos anteriores se pueden expresar simbólicamente como:
Suma de Vectores por el Método Analítico
Si utilizamos como sistema de referencia los ejes cartesianos, podemos obtener
sobre ellos los componentes ortogonales FX y FY de una fuerza como se ilustra en
la figura.
-6-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Cuyo módulo se obtiene mediante las funciones seno y coseno del ángulo θ, de la
siguiente forma.
Para sumar las fuerzas A, B y C tendríamos:
A continuación se suman por separado los componentes ortogonales en “X” y “Y”
de los vectores.
-7-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Obteniéndose de esta forma dos nuevos vectores perpendiculares entre sí,
llamados vector resultante en “X” RX y vector resultante en “Y” RY
Con estos vectores se puede formar un triángulo rectángulo.
R es el módulo o valor numérico de la suma de los vectores A, B y C. Su
magnitud se obtiene mediante el teorema de Pitágoras.
Por último, se calcula la abertura del ángulo θ con respecto al lado positivo del eje
“X”. Lo anterior se obtiene mediante el inverso de la función tangente; de la
siguiente forma:
El ángulo θ con respecto al lado positivo del eje “X”, nos informa la dirección y
sentido del vector resultante RX. Existen cuatro casos para determinar el valor real
de dicho ángulo θ, como se demostrara a continuación.
Para facilitar su comprensión se ilustran con figuras cada uno de estos casos. En
dichas figuras los significados de los símbolos “θc” y “θr” serán:
θc = El valor del ángulo obtenido con el uso de la calculadora al sustituir los
valores correspondientes en la fórmula del inverso de la función tangente.
θr = Al valor real del ángulo que indica la dirección y sentido del vector
resultante y el cual es el que debe expresarse al escribir el resultado final.
NOTA: Es muy importante dibujar un croquis como los siguientes al momento de
determinar el valor real del ángulo θr.
Las figuras se obtienen mediante los signos POSITIVO o NEGATIVO de los
vectores resultantes RX y RY. Se presentan los siguientes cuatro casos:
-8-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Primer caso:
Tanto RX como RY son de signo positivo.
Segundo caso:
RX es de signo negativo y RY es de signo positivo.
-9-
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Tercer caso:
Tanto RX como RY son de signo negativo.
Cuarto caso:
RX es de signo positivo y RY es de signo negativo.
- 10 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
CUERPOS EN EQUILIBRIO
Definición de conceptos
Idealizaciones. Los modelos o idealizaciones se utilizan en el estudio del
equilibrio con la finalidad de simplificar la aplicación de la teoría, para ello se
definirán algunas de las idealizaciones más importantes.
Partícula. Una partícula posee masa pero de tamaño poco significativo. Por
ejemplo, el tamaño de la Tierra es insignificante comparado con el tamaño de su
órbita y, por lo tanto, la Tierra se puede tomar como una partícula cuando se
estudia su movimiento orbital en un modelo. Cuando un cuerpo se idealiza como
una partícula, los principios de la Mecánica se simplifican de manera importante,
debido a que la geometría del cuerpo no se tomará en cuenta en el análisis del
problema.
Cuerpo Rígido. Un cuerpo rígido puede ser considerado como un conjunto
formado por un gran número de partículas que permanecen separadas entre sí por
una distancia fija antes y después de aplicar la carga. Como resultado, las
propiedades del material de que está hecho cualquier cuerpo que se suponga
rígido no se tendrán que considerar cuando se analicen las fuerzas que actúan
sobre este. En la mayoría de los casos las deformaciones reales que se presentan
en estructuras, máquinas, mecanismos, etcétera, son relativamente pequeñas, y la
suposición de cuerpo rígido es apropiada para efectos de análisis.
Fuerza Concentrada. Una fuerza concentrada representa el efecto de una carga,
la cual se supone que actúa en algún punto de un cuerpo. Podemos representar
este efecto por medio de una fuerza concentrada, siempre y cuando el área sobre
la cual se aplica la carga sea relativamente pequeña comparada con el tamaño del
cuerpo.
Masa Punto. Al punto de concurrencia del sistema de fuerzas no paralelas se le
da el nombre de masa punto; debido a que teóricamente se considera que todo el
peso del cuerpo sobre el que actúa el sistema se concentra en dicho punto.
Peso Uniforme. Se dice que un cuerpo es de peso uniforme cuando cada unidad
de su volumen tiene el mismo peso. En este caso, se considera teóricamente que
todo el peso del cuerpo se encuentra concentrado en el centro geométrico del
mismo.
Inercia. Es la propiedad de los cuerpos de no modificar su estado de reposo o
movimiento si no es por la acción de una fuerza no equilibrada.
Equilibrio. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio cuando se
encuentra en estado de reposo o con movimiento rectilíneo uniforme; para lo cual
es indispensable que la suma algebraica de todas las fuerzas que actúan sobre él
sea igual a cero. En este caso, se dice que la fuerza neta que actúa sobre el
cuerpo es una fuerza equilibrada. Un cuerpo en equilibrio estático, si no está
- 11 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
sujeto a la acción de una fuerza no equilibrada, no tendrá aceleración de
traslación o de rotación, porque la suma de todas las fuerzas o la suma de todos
los momentos que actúan sobre él es cero. Sin embargo, si el cuerpo se desplaza
ligeramente, son posibles tres resultados:
1) El objeto regresa a su posición original, en cuyo caso se dice que está en
equilibrio estable,
2) El objeto se aparta más de su posición, en cuyo caso se dice que está en
equilibrio inestable, o
3) El objeto permanece en su nueva posición, en cuyo caso se dice que está
en equilibrio neutro o indiferente.
Condiciones Generales de Equilibrio
La suma algebraica de las componentes rectangulares Σ FX y Σ FY de todas las
fuerzas que actúen sobre un cuerpo debe ser igual a cero.
La suma algebraica de los momentos Σ M de todas las fuerzas coplanarias que se
ejercen sobre un cuerpo debe de ser igual a cero en cualquier punto del plano.
Fuerzas Coplanarias no paralelas
Cuando un sistema de fuerza no paralelas actúan sobre un cuerpo en el mismo
plano, estas concurren en un punto, por lo que también se les llama fuerzas
coplanarias concurrentes.
Otras herramientas matemáticas indispensables para el estudio del equilibrio de
sistemas de fuerzas coplanarias concurrentes son: las funciones trigonométricas
seno, coseno y tangente, el teorema de Pitágoras, las leyes de los senos y de los
cosenos y la semejanza de triángulos.
La solución de problemas donde intervengan tres fuerzas concurrentes se puede
efectuar de dos formas, las cuales se ilustran con el siguiente ejemplo:
Un cuerpo que tiene un peso w = 100 N se mantiene en equilibrio suspendido por
dos cuerdas como se muestra en la figura. Una de las cuerdas tira del cuerpo en
forma horizontal; la otra, amarrada de un gancho anclado en un techo, formando
un ángulo de 30° con la vertical. Calcular las fuerzas de tensión T1 y T2 que
experimentan las cuerdas.
- 12 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Solución por el método de las componentes.
Para la solución de problemas por este método es indispensable tomar en cuenta
lo que se le conoce como:
Primera condición de equilibrio.
La suma algebraica de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo debe ser
igual a cero. Es decir:
ΣF=0
Esto equivale a decir que la suma algebraica de las componentes de la fuerza que
actúan sobre un cuerpo en cualquier dirección, debe cumplir con:
a) La suma algebraica de las componentes horizontales es cero; esto es:
Σ FX = 0
b) La suma algebraica de las componentes verticales también es cero.
Σ FY= 0
Las componentes horizontales de las fuerzas que se dirijan hacia la derecha serán
positivas y hacia la izquierda negativas.
Las componentes verticales de las fuerzas que se dirijan hacia arriba serán
positivas, y hacia abajo, negativas.
Para la resolución del problema tendremos:
Sean T1 y T2 las fuerzas de tensión buscadas y w = 100 N el peso.
El punto “O” se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas:
- 13 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Primera condición de equilibrio.
1)
Las fuerzas que actúan horizontalmente (ver figura) son T1 y T2X. Entonces:
Σ FX = 0
T2X – T1 = 0 o sea T2X = T1
2)
Las fuerzas que actúan verticalmente (ver figura) son w y T2Y. Entonces:
Σ FY = 0
T2Y – w = 0 o sea T2Y = w = 100 N, por lo tanto tenemos que:
T1 = T2X = T2Y tan 30o = 100 N (0.577) = 57.5 N y
T2Y = T2 Cos. 30o. Despejando y sustituyendo obtenemos:
T2 =T2Y / Cos. 30o. = 100 N/ 0.866 = 115 N
Solución por el método del triángulo vectorial.
En la figura el punto “O” se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres
fuerzas w, T1 y T2, por lo tanto, se puede dibujar un triángulo rectángulo cuyos
catetos son T1 y T2, siendo w la hipotenusa del mismo.
De esta forma, los valores de T1 y T2 se obtienen como sigue:
T1 = w tan 30o = 100 N (0.577) = 57.7 N. y
T2 = w / Cos. 30o = 100 N / 0.866 = 115 N
Te habrás dado cuenta que este método es mucho más sencillo, pero debes tener
presente que solo se puede utilizar en los casos en que con el sistema de fuerzas
se pueda construir un triángulo.
- 14 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Fuerzas Coplanarias paralelas.
Si sobre un cuerpo rígido actúan dos o más fuerzas cuyas líneas de acción sean
paralelas, la fuerza resultante FR tendrá un valor igual a la suma algebraica de
ellas con su línea de acción también paralela a las de las fuerzas. El punto de
aplicación de FR debe ser determinado con exactitud para que produzca el mismo
efecto que las fuerzas originales. En este caso, el punto de aplicación y la
magnitud o módulo de la fuerza resultante FR y de la fuerza equilibrante FE son los
mismos, pero tienen sentidos contrarios, por lo que:
FR = FE y entonces FR – FE = 0 y habrá Equilibrio.
Las fuerzas paralelas tienden a producir un movimiento de rotación o giro
alrededor de un eje del cuerpo rígido sobre el cual actúan.
Un Par. Las fuerzas paralelas son aquellas que actúan sobre un cuerpo rígido con
sus líneas de acción en forma paralela, como se ve en las figuras siguientes.
Cuando dos fuerzas paralelas que actúan sobre un cuerpo son de la misma
magnitud, de sentido contrario y no son colineales, se produce el llamado par de
fuerzas, en el que la resultante del sistema es igual a cero y su punto de
aplicación está en el centro de la línea que une a los puntos de aplicación de las
fuerzas componentes. No obstante que su resultante es cero, un par de fuerzas
produce siempre un movimiento de rotación, tal como sucede con el volante de un
automóvil, o como en las figuras anteriores.
- 15 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
MOMENTOS DE UNA FUERZA.
El momento de una fuerza M se define como la medida de la efectividad de una
fuerza para producir el giro o rotación de un cuerpo alrededor de un eje. Su
magnitud es el producto del módulo de la fuerza F por la distancia d que hay del
eje de rotación de forma perpendicular a la línea de acción de la fuerza. A dicha
distancia se le da el nombre de brazo de palanca Bp.
M = F Bp
En la figura, d1 y d2 son los brazos de palanca de las fuerzas F1 y F2
respectivamente.
El momento de una fuerza se considera positivo (+) cuando el giro que produce
tiene sentido contrario al del movimiento de las manecillas de un reloj, y negativo
(-) si tiene el mismo sentido.
Los momentos para las fuerzas F y P con respecto al eje de rotación de la figura
de abajo son:
MF = (-) F d y MP = (+) P x
- 16 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Equilibrio de una barra o viga.
Se le da el nombre genérico de viga a los elementos estructurales que se utilizan
para soportar cargas y fuerza en dirección perpendicular a su eje longitudinal;
siempre la longitud de una viga es mayor que su sección transversal. En las
figuras siguientes se representan las vigas de uso más común.
Supongamos que la viga analizada en un ejemplo anterior es de peso
despreciable y que está sujeta a una bisagra por su extremo O, el cual es el eje de
rotación. Si colocamos un peso P a una distancia x del eje y en el otro extremo se
ejerce la fuerza F, para que esta se encuentre en equilibrio debe de cumplirse que:
Primera condición de equilibrio. La suma algebraica de todas las fuerzas que
intervienen, incluida la fuerza equilibrante FE, debe ser igual a cero.
Σ F = 0. Esto es: F – P + FE = 0
Segunda condición de equilibrio. La suma algebraica de los momentos de
dichas fuerzas también debe ser cero.
Σ M = 0. Esto es: - MF + MP + ME = 0
- 17 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Ahora consideremos el caso en el que la fuerza F utilizada para soportar el peso P
no tenga la misma dirección de este y que su brazo de palanca sea y, como se
ilustra en la siguiente figura.
Entonces las condiciones de equilibrio se expresarían de la siguiente forma:
Primera condición de equilibrio.
Σ F = 0, o sea:
F Cos. θ + FR = 0
Segunda condición de equilibrio.
Σ M = 0, o sea:
- F Cos θ y + P x + FE Bp = 0
- 18 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 1: Fuerza
Fuerza
Número del Bloque. I
Nombre del Bloque. Aplicas la Estática
Tiempo asignado. 13 horas
Objetos de aprendizaje. Fuerza
Materiales.
2 bancos o pupitres
1 cinta métrica o flexómetro
2 cuerdas de 10 m cada una
Cinta masking tape
Procedimiento.
1.-
Pon un tramo de cinta masking tape en el piso, de unos 20 cm. De manera
perpendicular coloca otro tramo de dos m; haz marcas sobre este cada 20
cm con la misma cinta.
2.-
Coloca una de las sillas a un costado de las cintas que pusiste en el piso y
con la cuerda amárrala a una de las patas del pupitre, pide a uno de tus
compañeros que jale de la cuerda y que la haga avanzar los dos metros
que se marcaron; observa.
3.-
Coloca nuevamente la silla al principio del paso anterior y que un
compañero se siente en ella, pídele al mismo compañero que vuelva a jalar
de la cuerda, observa.
4.-
Coloca nuevamente la silla al principio del paso 2 y ahora amarra la
segunda silla a la cuerda también, que dos compañeros se sienten en ellas,
(uno en cada silla) y pídele al mismo compañero que vuelva a jalar de la
cuerda, observa.
- 19 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reportes.
1.- ¿En cuál caso tardó más?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿En cuál crees que haya aplicado más fuerza?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 20 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 2. Vectores, suma de vectores
Vectores
Número del Bloque. I
Nombre del Bloque. Aplicas la Estática
Tiempo asignado. 13 horas
Objetos de aprendizaje. Vectores, suma de vectores
Materiales.
1 banco o pupitre
1 cinta métrica o flexómetro
10 m de cuerda o mecate
Cinta masking tape
Procedimiento.
1.-
Pon un tramo de cinta masking tape en el piso, de unos 20 cm. De manera
perpendicular coloca otro tramo de dos metros; haz marcas sobre este cada
20 cm con la misma cinta.
2.-
Repite el paso anterior, pero ahora coloca el tramo de dos metros de la
cinta de forma perpendicular, de tal manera que te quede como la figura
siguiente:
- 21 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
3.-
Coloca la silla lo más cerca posible del cero, que es el punto donde se unen
las dos tiras largas de cinta y amarra a una misma pata de la silla las dos
cuerdas.
4.-
Pide a un compañero que se siente en la silla y que otros dos tomen las
cuerdas, una cada uno, y se coloquen donde esté indicado un metro sobre
las marcas que se hicieron con la cinta en el piso.
5.-
Ahora, que cada uno camine jalando de la cuerda hasta la marca de los dos
metros, como se muestra en la figura
Reportes.
1.- ¿En qué punto quedó?, marca en el dibujo de arriba su nueva posición y la
trayectoria de su desplazamiento.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Por qué fue hacia ese punto su desplazamiento?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 22 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 3. Cuerpos en equilibrio
Cuerpos en equilibrio
Número del Bloque. I
Nombre del Bloque. Aplicas la Estática
Tiempo asignado. 13 horas
Objetos de aprendizaje. Cuerpos en equilibrio
Materiales.
1 botella de vidrio con corcho
2 tenedores
2 escarbadientes o mondadientes
Procedimiento.
1.-
Coloca los tenedores uno contra el otro hasta que queden trabados, como
se muestra en la figura de abajo.
2.-
Luego, pon uno de los mondadientes justamente entre los dientes de los
tenedores que se entrecruzan.
- 23 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
3.-
El otro mondadientes lo debes clavar en el corcho y luego colocar este en el
pico de la botella.
4.-
Por último, coloca el mondadientes que se puso con los tenedores encima
del palillo que está en el corcho con la botella, como se muestra en la
figura.
Reportes.
1.- ¿Qué pasó con los tenedores?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Por qué?, explica.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 24 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 4. Momentos de fuerza
Momentos de fuerza
Número del Bloque. I
Nombre del Bloque. Aplicas la Estática
Tiempo asignado. 13 horas
Objetos de aprendizaje. Momentos de fuerza, palanca
Materiales.
1 regla metálica de 30 cm
3 monedas de una misma denominación
1 lápiz
Pegamento blanco
Procedimiento.
1.-
Coloca en una mesa el lápiz redondo sujeto con el pegamento blanco, de
manera que no se deslice para ningún lado.
2.-
Coloca la regla sobre el lápiz, de manera que quede a la mitad de esta.
3.-
Pon un extremo de la regla una de las monedas y con cuidado, trata de
colocar las otras dos monedas del otro lado, recorriéndolas de tal manera
que quede en equilibrio, como se muestra en la figura siguiente.
Monedas
Regla de 30 cm
Lápiz
- 25 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reportes.
1.- ¿Cómo es la distancia d´ con respecto a d?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Por qué?, explica.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 26 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
BLOQUE II.- CINEMÁTICA EN TU ENTORNO
No hay cuerpo que sea completamente rígido, pero podemos considerar como
ejemplo las moléculas, las viguetas de acero y los planetas, como lo
suficientemente rígidos para pensar que se tuercen, se doblan o vibran. Un cuerpo
rígido se mueve en una traslación pura, si cada partícula del cuerpo experimenta
el mismo desplazamiento que todas las demás partículas en un intervalo de
tiempo dado.
Base teórica y definiciones.
En física, la traslación es un movimiento en el cual se modifica la posición de un
objeto, en contraposición a una rotación.
Algunos consideramos que los cuerpos tienen únicamente un movimiento
traslacional, pero hay casos como las ruedas, los ejes, las poleas, el giroscopio y
muchos otros dispositivos mecánicos que giran sobre su eje sin que haya
movimiento traslacional.
El movimiento de la rueda es un ejemplo de rotación pura de un cuerpo rígido,
que se define así:
Un cuerpo rígido se mueve en rotación pura si todos sus puntos (como en la
siguiente figura) lo hacen en una trayectoria circular. El centro de estos círculos ha
de estar en una línea recta común denominada eje de rotación.
En este tema abordaremos el movimiento rotacional puro. Nos ocuparemos solo
de objetos rígidos en los cuales no se observa movimiento relativo de las partes a
medida que el objeto gira; se excluye, por ejemplo, un líquido dentro de un
contenedor que gira.
Posición angular.
Si hemos acordado llamar movimiento al cambio de la posición con el tiempo, será
necesario establecer un criterio para determinar qué posición ocupa un cuerpo en
un instante.
- 27 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
En el instante t el móvil se encuentra en el punto P. Su posición angular viene
dada por el ángulo θ, que hace el punto P, el centro de la circunferencia C y el
origen de ángulo O. En el instante t´ el móvil se encontrará en la posición P´ dada
por el ángulo θ´. El móvil se habrá desplazado Δθ = θ´- θ en el intervalo de tiempo
Δt = t´- t comprendido entre t´y t
Desplazamiento angular.
El desplazamiento angular de un cuerpo describe la cantidad de rotación. Si un
punto en el disco giratorio de la figura anterior gira sobre su eje de O a P, el
desplazamiento angular se denota por el ángulo θ.
1 rev = 360
Ninguna de estas unidades es útil para describir la rotación de los cuerpos rígidos.
Una medida más fácil de aplicar al desplazamiento angular es el radián (rad). Un
ángulo de 1 rad es un ángulo central cuyo arco s es igual a la longitud del radio R.
Es más común que el radián se defina por la siguiente ecuación:
- 28 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Donde s es el arco de un círculo descrito por el ángulo θ. Puesto que el cociente s
entre R es la razón de dos distancias, el radián es una cantidad sin unidades.
El factor de conversión que permite relacionar radianes con grados se encuentra
considerando un arco de longitud s igual a la circunferencia de un círculo 2πR.
Dicho ángulo en radianes se obtiene de la ecuación.
Así, tenemos que
1 rev = 3600 = 2π rad
De donde observamos que
- 29 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Ejemplo:
Un punto situado en el borde de un disco giratorio cuyo radio es de 6 m se mueve
a través de un ángulo de 40°. Calcular la longitud del arco descrito por el punto.
Solución:
Como el ángulo debe estar en radianes, primero debemos convertir los 40° en
radianes
La longitud del arco está dada por
La unidad radián desaparece porque representa una relación de longitud a
longitud (m/m = 1).
Velocidad angular.
A la razón de cambio del desplazamiento angular con respecto al tiempo se le
llama velocidad angular. Por lo tanto, si un objeto gira a través de un ángulo θ en
un tiempo t, su velocidad angular media está dada por:
El símbolo ω, (letra griega omega), se usa para denotar la velocidad angular. Aun
cuando la velocidad angular puede expresarse en revoluciones por minuto o
revoluciones por segundo, en la mayoría de los problemas físicos es necesario
utilizar radianes por segundo para adaptarse a fórmulas más convenientes.
Puesto que la velocidad de rotación en gran número de problemas técnicos se
expresa en términos de frecuencia de revoluciones, la siguiente relación será de
utilidad:
Donde ω se mide en radianes por segundo y f se mide en revoluciones por
segundo o ciclos por segundos.
- 30 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Ejemplo:
La rueda de una bicicleta tiene un diámetro de 66 cm y da 40 revoluciones en
1min.
a) ¿cuál es su velocidad?
b) ¿qué distancia lineal se desplazará?
Solución:
a) Como 1 rev = 2π radianes, entonces
Sustituyendo la frecuencia en la fórmula de la velocidad angular
b) El desplazamiento lineal s se puede calcular a partir del desplazamiento
angular θ en radianes.
De la ecuación
Despejamos s, quedando:
Es importante observar que la velocidad angular representa una velocidad media.
- 31 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Aceleración angular.
El movimiento rotacional puede ser uniforme o acelerado. La rapidez de la rotación
puede aumentar o disminuir bajo la influencia de un momento de torsión
resultante. Por ejemplo, si la velocidad angular cambia constantemente de un
valor inicial ω 0 a un valor final ωf en un tiempo t, la aceleración angular es
constante y:
La letra griega α (alfa) denota la aceleración angular y las unidades típicas son
rad/seg2, rev/min2, etcétera.
Las ecuaciones empleadas para el movimiento circular acelerado son las mismas
que se utilizan para el rectilíneo uniformemente acelerado con las siguientes
variantes:
1.- En lugar de desplazamiento en metros hablaremos de desplazamiento
angular en radianes (θ en lugar de d).
2.- La velocidad en m/seg se dará como velocidad angular en rad/seg (ω en
lugar de v).
3.- La aceleración en m/seg2 se cambiará a aceleración angular en rad/seg2
(α en lugar de a).
- 32 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Ejemplo 1
Una rueda que gira a 4 rev/seg aumenta su frecuencia a 20 rev/seg en 2
segundos. Determinar el valor de su aceleración angular.
Datos:
fo = 4 rev/seg
f = 20 rev/seg
t = 2 seg
α = ¿?
Fórmulas:
Sustitución y resultado:
Ejemplo 2
Una rueda de la fortuna gira inicialmente con una velocidad angular de 2 rad/seg,
si recibe una aceleración angular de 1.5 rad/seg2 durante 5 segundos, calcular:
a) Su velocidad angular a los 5 seg.
b) Su desplazamiento angular.
c) El número de revoluciones al término de los 5 seg.
- 33 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Solución a)
Datos:
ωo = 2 rad/seg
α = 1.5 rad/seg2
t = 5 seg
Fórmula:
ω = ωo + αt
Sustitución:
ω = 2 rad/seg + (1.5rad/seg2)(5seg)
ω= 9.5 rad/seg
Solución b)
El desplazamiento angular está dado por:
Sustitución:
- 34 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Solución c)
Puesto que 1 rev = 2π rad, obtenemos
Traslación y rotación uniforme y uniformemente aceleradas.
Con frecuencia se encuentran dos casos especiales de rotación:
1.- Rotación uniforme. Este caso se caracteriza por el hecho de que la
aceleración angular es cero (α = 0). La velocidad angular es por lo tanto constante
y la coordenada angular está dada por la fórmula
2.- Rotación uniformemente acelerada. En este caso la aceleración angular es
constante. Las fórmulas que se utilizan para este tipo de movimiento se mostraron
en el tema anterior (tabla 2.1), haciendo hincapié que se utilizan estas fórmulas
cuando α = constante.
En el caso de la traslación, se presenta la traslación rectilínea y traslación
curvilínea, en las dos puede suceder que sea uniforme su velocidad (a = 0, α = 0),
entonces v = d/t, o bien ω = θ/t respectivamente; en el movimiento uniformemente
acelerado, se utilizarán las fórmulas de aceleración lineal constante.
Relación entre los movimientos rotacional y lineal
Cuanto más lejos se encuentre una partícula del eje de rotación, mayor es su
velocidad lineal según la siguiente fórmula
Donde f es la frecuencia de rotación y R el radio de curvatura. Como s=θR
entonces
- 35 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Puesto que θ/t = ω, la velocidad lineal se puede expresar como una función de la
velocidad angular.
La aceleración tangencial en términos de un cambio en la velocidad angular
quedaría:
α representa la aceleración angular.
No hay que confundir la aceleración tangencial (cambio de velocidad lineal) con la
aceleración centrípeta (cambio en la dirección del movimiento)
Ejemplo:
Una rueda de 80 cm de radio gira sobre un eje estacionario. Si la velocidad
aumenta uniformemente desde el reposo hasta alcanzar 1900 rpm en un
tiempo de 30 s, calcular:
a) La aceleración angular de la rueda.
b) La aceleración tangencial de la rueda
Datos:
- 36 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Fórmulas:
a)
b)
Recordemos que α debe estar en rad
Traslación uniforme.
Para abordar este tema es necesario definir algunos conceptos como:
Trayectoria: Es la línea formada por las sucesivas posiciones por las que pasa el
móvil.
Distancia: Es la longitud de la trayectoria y se trata de una magnitud escalar.
Desplazamiento: Es una magnitud vectorial cuyo módulo es la línea recta entre la
posición final y la inicial. El vector que representa al desplazamiento tiene su
origen en la posición inicial y su extremo en la posición final.
En el lenguaje ordinario los términos distancia y desplazamiento se utilizan como
sinónimos aunque en realidad tienen significados diferentes. Lo mismo ocurre con
las definiciones de rapidez y velocidad las cuales se suelen confundir con
frecuencia, ya que rapidez es una magnitud escalar que relaciona la distancia
recorrida con el tiempo ( r = d / t ), y la velocidad es una magnitud vectorial que
relaciona un cambio de posición (desplazamiento) con el tiempo
- 37 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Para una traslación rectilínea uniforme, tenemos el siguiente ejemplo:
Ejemplo:
Determinar el desplazamiento en m que realizará un ciclista al viajar hacia
el sur a una velocidad de 35 km/h durante 1.5 minutos.
Datos:
v = 35 km/h al sur
t = 1.5 min
d = ¿? m
Fórmula:
Conversión de unidades:
Sustitución y resultado:
- 38 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Traslación rectilínea uniformemente acelerada.
Como la aceleración es un cambio de velocidad en un intervalo de tiempo
Entonces podemos utilizar las fórmulas de la tabla que se dio al principio para
realizar el siguiente ejercicio:
Ejemplo:
Un camión de carga viaja con una velocidad de 70 km/h, aplica
bruscamente los frenos y se detiene en 15 segundos, pues se le atravesó
una vaca a 150 m.
Calcular:
a) La aceleración.
b) La distancia total recorrida desde que aplicó los frenos para detenerse.
c) ¿Atropelló a la vaca?
Datos:
a)
Vo = 70 km/h
t = 15 s
Fórmula:
- 39 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Conversión de unidades:
Sustitución:
b)
Fórmula:
Sustitución:
Resultado:
d = 145.8m
c)
No, faltaron 4.2m para alcanzarla
- 40 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Movimiento parabólico.
En el caso de movimientos de proyectiles cuya trayectoria es parabólica, como por
ejemplo el movimiento de la pelota cuando Lorena Ochoa la golpea lanzándola al
aire, cuando Guillermo Ochoa despeja el balón de fútbol desde la portería, cuando
se lanza un proyectil de un avión, etcétera, la velocidad se tendrá que
descomponer y tratarse horizontal y verticalmente con:
Donde α es el ángulo que forma la v0 con la horizontal.
Ejemplo:
Un jugador de fútbol golpea un balón con un ángulo de 37o con respecto a
la horizontal, comunicándole una velocidad inicial de 20 m/s. Calcular:
a) El tiempo que dura la pelota en el aire.
b) La altura máxima alcanzada.
c) El alcance horizontal.
a)
Datos:
V0 = 20m/s
α = 370
Fórmulas:
- 41 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Sustitución:
b)
h = 7.34 m
c)
- 42 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 5. Movimiento de rotación
Movimiento de rotación
Número del Bloque. II
Nombre del Bloque. Cinemática en tu entorno
Tiempo asignado.13 horas
Objetos de aprendizaje. Movimiento de rotación
Materiales.
1 kg de alambre galvanizado, (½ kg + ½ kg)
2 tubos de cobre de 1” x 20 cm, c/u
1 rueda de bicicleta
1 cronómetro o reloj
Procedimiento.
1.2.3.-
4.5.-
Toma los dos pedazos de tubo de cobre y colócalo en los ejes de la rueda,
uno por cada lado, a manera de soporte.
Pide a un compañero que sostenga la rueda por los dos pedazos de tubo
que acabas de colocar.
Solicita que otro compañero le dé un impulso ligero para hacerla rodar
sobre su eje, mientras que tú tomas el tiempo que dura girando la rueda
hasta parar, y que un compañero anote el tiempo en la tabla.
Ahora toma uno de los tramos de alambre y enróllalo a la rueda, procura
que al enrollarlo, quede lo más junto posible.
De igual manera toma el otro tramo de alambre y repite el paso anterior,
procurando que esta quede al otro extremo, como se muestra en la figura
½ kg de
alambre
galvanizado
6.-
½ kg de
alambre
galvanizado
Repite el paso 3 y registra de nuevo el tiempo en la siguiente tabla.
- 43 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Tiempo de giro
Rueda
Sin alambre
Con alambre
Reporte.
1.- ¿Cuál duró girando más?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Por qué crees que hubo resultados diferentes?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 44 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 6. Movimiento de traslación
Movimiento de traslación
Número del Bloque. II
Nombre del Bloque. Cinemática en tu Entorno
Tiempo asignado.13 horas
Objetos de aprendizaje. Movimiento de Traslación
Materiales.
1 silla secretarial (giratoria)
2 tubos de cobre de 1” x 20 cm, c/u
1 rueda de bicicleta
Procedimiento.
1.2.-
3.-
Toma los dos pedazos de tubo de cobre y colócalo en los ejes de la rueda,
uno por cada lado, a manera de soporte.
Pide a un compañero que se siente en la silla giratoria y, con los brazos
extendidos hacia el frente, de manera firme y derecha, sostenga la
rueda por los dos pedazos de tubo que acabas de colocar.
Ahora, como se muestra en la siguiente figura, haz girar la rueda sobre los
ejes, observa que pasa.
- 45 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
4.
Repite los pasos 2 y 3, pero ahora pídele al compañero que está sentado
sobre la silla que incline la rueda hacia su lado derecho. Observa.
o
45
Tubo de
cobre
5.-
Tubo de
cobre
Rueda de
bicicleta
Repite los pasos 2 y 3, pero ahora pídele al compañero que está sentado
sobre la silla que incline la rueda hacia su lado izquierdo, observa.
Tubo de
cobre
o
45
Rueda de
bicicleta
Tubo de
cobre
Reporte.
1.- ¿Qué pasó cuando inclinaste el eje hacia los lados?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2- ¿Por qué?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3- ¿Qué efectos simula este experimento?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 46 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 7. Fuerza centrípeta
Fuerza centrípeta
Número del Bloque. II
Nombre del Bloque. Cinemática en tu Entorno
Tiempo asignado.13 horas
Objetos de aprendizaje. Fuerza centrípeta
Materiales.
1 tubo de cobre de 1” x 20 cm
1.2 m de cuerda o mecate
1 taza de plástico
1 taza de cerámica
Taza de cerámica
Taza de plástico
Procedimiento.
1.2.3.-
Toma primero la taza de plástico con tus manos y siente su peso, ahora
déjala sobre la mesa y de igual forma toma la de cerámica y siente su peso.
Toma el mecate de una punta y pásalo por en medio del tubo.
Amarra la taza de plástico a un extremo y la de cerámica al otro.
Cuerda o mecate
Tubo de cobre
Taza de cerámica
4.5.-
Taza de plástico
Con cuidado, toma el tubo de cobre a la altura de tu pecho y deja que
cuelgue hasta abajo la taza más pesada.
Ahora, con tu mano que sostienes el tubo, empieza a girarlo por arriba de tu
cabeza, como si fueras a lazar, la taza más ligera debe de estar arriba,
observa.
- 47 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
1.- ¿Cuál taza pesa más?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2- ¿Qué sucedió cuando empezaste a girar la taza más ligera?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3- ¿Qué efecto explica esto?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 48 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 8. Fuerza centrífuga
Fuerza centrífuga
Número del Bloque. II
Nombre del Bloque. Cinemática en tu entorno
Tiempo asignado. 13 horas
Objetos de aprendizaje. Fuerza centrípeta
Materiales.
2 pelotas de plástico, huecas
1 tapón de corcho
1 m de alambre galvanizado (½ m + ½ m)
Hilo
Procedimiento.
1.2.3.4.-
Toma uno de los tramos de alambre y haz un círculo con él.
Con cuidado introduce las dos pelotas de plástico huecas, como se muestra
en la figura 1.
Une los dos extremos del círculo con el tapón de corcho, como se muestra
en la figura 2.
Toma el otro tramo de alambre y enderézalo lo más posible, una vez recto
introduce una de las puntas en el tapón de corcho, como se muestra en la
figura 3.
Figura 1
5.-
Figura 2
Figura 3
Con el hilo amarra el otro extremo del cable que atraviesa por el círculo, de
manera que te quede como en la figura 4.
- 49 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Figura 4
6.-
Con esto queda lista nuestra centrífuga,; ahora toma de un extremo el
alambre recto, dejando colgar el extremo que tiene el corcho y gíralo con
tus dedos, observa.
Reporte.
1.- ¿Qué pasa con las pelotas?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2- ¿Por qué pasa esto?, explica.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 50 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
BLOQUE III.- ANALIZAS LA CINÉTICA ROTACIONAL.
Al término de este bloque el alumno será capaz de resolver problemas
relacionados con las Leyes de Newton y los movimientos de traslación y
rotación, mediante la aplicación experimental de los conceptos de las Leyes de
Newton.
Base teórica y definiciones.
Empecemos por definir y conocer conceptos básicos sobre estas leyes.
Fuerza.- Se le llama Fuerza a cualquier acción o influencia capaz de modificar el
estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una
aceleración modificando la velocidad y/o el sentido de su movimiento
Las siguientes figuras ilustran las dos formas más comunes en las que utilizamos
fuerzas para mover cuerpos, desplazándolos sobre superficies planas.
Figura 1
1ª Ley de Newton, Inercia.
Todo cuerpo permanecerá en estado de reposo o con movimiento rectilíneo
uniforme a menos que una fuerza no equilibrada actúe sobre él. El que la fuerza
ejercida sobre un objeto sea cero no significa necesariamente que su velocidad
sea cero. Si no está sometido a ninguna fuerza no equilibrada, incluido el
rozamiento, en este caso un objeto en movimiento seguirá desplazándose a
velocidad constante.
- 51 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
2ª Ley de Newton, Fuerza y Aceleración.
La aceleración a que adquiere un cuerpo cuando está sujeto a la acción de un
sistema de fuerzas no equilibrado, es directamente proporcional a la magnitud de
la fuerza resultante Fr e inversamente proporcional a su masa m.
a = Fr /m
Para entender cómo y por qué se aceleran los objetos, hay que definir la fuerza y
la masa. La fuerza es la acción que al serle aplicada a un cuerpo permite que este
permanezca en reposo o con movimiento. Una fuerza neta cuyo valor sea
diferente de cero ejercida sobre un objeto, lo acelerará; es decir, el cuerpo
cambiará su velocidad. La aceleración será proporcional a la magnitud de la fuerza
resultante y tendrá la misma dirección y sentido que esta. La constante de
proporcionalidad es la masa m del objeto. La masa es la medida de la cantidad de
sustancia o materia de un cuerpo y es universal.
Ejemplo: Una masa de 3 kg se somete a una aceleración cuyas componentes
ortogonales son
ax = 6 m/seg2
y
ay = 15 m/seg2.
Calcular la magnitud de la fuerza FR que produce dicha aceleración y la
dirección de la misma.
Datos:
Fórmula:
Despeje:
- 52 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
3ª Ley de Newton, Acción y Reacción.
Si un cuerpo actúa sobre otro con una fuerza de acción FA(+), este reaccionará
contra el primer cuerpo con otra fuerza FR(-) de igual valor y dirección, pero de
sentido contrario.
Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza (acción o reacción), este devuelve una
fuerza de igual magnitud, igual dirección y de sentido contrario (reacción o acción).
Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente
a un niño, no solo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que el
niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin embargo,
como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor.
La tercera ley de Newton también implica la conservación del momento lineal, el
producto de la masa por la velocidad. En un sistema aislado, sobre el que no
actúan fuerzas externas, el momento debe ser constante. En el ejemplo del adulto
y el niño en la pista de patinaje, sus velocidades iniciales son cero, por lo que el
- 53 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
momento inicial del sistema es cero. Durante la interacción operan fuerzas
internas entre el adulto y el niño, pero la suma de las fuerzas externas es cero.
Por tanto, el momento del sistema tiene que seguir siendo nulo. Después de que
el adulto empuje al niño, el producto de la masa grande y la velocidad pequeña del
adulto debe ser igual al de la masa pequeña y la velocidad grande del niño. Los
momentos respectivos son iguales en magnitud pero de sentido opuesto, por lo
que su suma es cero.
Otra magnitud que se conserva es el momento angular o cinético. El momento
angular de un objeto en rotación depende de su velocidad angular, su masa y su
distancia al eje. Cuando un patinador da vueltas cada vez más rápido sobre el
hielo, prácticamente sin rozamiento, el momento angular se conserva a pesar de
que la velocidad aumenta. Al principio del giro, el patinador tiene los brazos
extendidos. Parte de la masa del patinador tiene por tanto un radio de giro grande.
Cuando el patinador baja los brazos, reduciendo su distancia del eje de rotación,
la velocidad angular debe aumentar para mantener constante el momento angular.
Un libro colocado sobre una mesa es atraído hacia abajo por la atracción
gravitacional de la Tierra y es empujado hacia arriba por la repulsión molecular de
la mesa. Como se ve, se cumplen todas las leyes de Newton.
Aplicaciones de las Leyes de Newton.
Aplicación de la 2a. Ley de Newton en la solución de problemas que implican
movimiento de traslación y movimiento de rotación pura.
Cuando se aplican las leyes de Newton, solo debe de interesar el estudio de las
fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo.
Ejemplo:
Si un cuerpo está en reposo sobre una mesa, las fuerzas que actúan sobre él son:
La fuerza normal n y el peso del cuerpo w, como se ilustran. La reacción a la
- 54 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
fuerza normal n es la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la mesa n'. La reacción al
peso w es la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la Tierra w'.
En otro ejemplo se tiene una caja que se jala hacia la derecha sobre una
superficie sin fricción, como se muestra en la figura de la izquierda.
En la figura de abajo se tiene el diagrama de cuerpo libre que representa a las
fuerzas externas que actúan sobre la caja.
Cuando un objeto empuja hacia abajo sobre otro objeto con una fuerza F, la fuerza
normal n es mayor que el peso del objeto w. Esto es, n = w + F.
En un tercer ejemplo se tiene un cuerpo de peso w suspendido del techo por una
cuerda de masa despreciable. Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son el peso
w y la fuerza ejercida por la cuerda T. Las fuerzas que actúan sobre la cuerda son
la fuerza ejercida por el peso T' y la fuerza ejercida por el techo T''.
- 55 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
A continuación, se hace una serie de sugerencias que te serán útiles
para la solución de problemas en los cuales intervienen las leyes de Newton
1.-
Dibuja un diagrama sencillo y claro del sistema.
2.-
Aísla el objeto cuyo movimiento se analiza y dibuja un diagrama de
cuerpo libre para el sistema de fuerzas; es decir, un diagrama que
muestre todas las fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo. Para
sistemas que contienen más de un objeto, dibuja diagramas de cuerpo
libre independientes para cada uno de ellos.
3.-
Establece ejes de coordenadas convenientes para cada objeto y
determina las componentes de las fuerzas sobre estos ejes. Aplica la
segunda ley de Newton, en la forma de componentes. Verifica sus
dimensiones, para asegurarte que todos los términos tengan unidades de
fuerza.
4.-
Resuelve las ecuaciones planteadas recordando que estas deben ser
tantas como incógnitas debas de resolver.
5.-
Verifica los resultados, ya que es posible que hayas cometido errores de
cálculo.
- 56 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
FRICCIÓN.
Antes abordar el estudio de la fuerzas de rozamiento, es indispensable tener
presentes los siguientes conceptos.
La fuerza llamada PESO.
Cada partícula de un cuerpo es atraída por la Tierra con una fuerza igual al peso
de esa partícula. El sentido de cada una de esas fuerzas está dirigido hacia el
centro de la Tierra y se las considera paralelas entre sí. De tal manera, se
considera a la fuerza Peso del cuerpo como la resultante de todas esas fuerzas
paralelas.
El Peso de un cuerpo es la fuerza con que el cuerpo es atraído por La Tierra
en dirección a su centro. El vector Peso de un cuerpo sigue la dirección de la
vertical, y su punto de aplicación se denomina teóricamente centro de gravedad o
baricentro. En los cuerpos de forma regular y con peso uniforme su baricentro
coincide con su centro geométrico.
La fuerza normal.
Supongamos que un bloque de masa m está en reposo sobre una superficie
horizontal como se muestra en la figura, las únicas fuerzas que actúan sobre él
son su peso w = mg y la fuerza de contacto de la superficie. La fuerza ejercida por
la superficie soporta el bloque, manteniéndolo en reposo. Ya que la aceleración
del bloque es cero, y esto significa que la fuerza de contacto es la fuerza normal
N, porque tiene dirección perpendicular, o normal, a la superficie, así en la figura N
= mg la fuerza normal, reacción del plano o fuerza que ejerce el plano sobre el
bloque depende del peso del bloque, la inclinación del plano y de otras fuerzas
que se ejerzan sobre el bloque.
Si ahora el plano está inclinado un ángulo θ, el bloque está en equilibrio en sentido
perpendicular al plano inclinado por lo que la fuerza normal N es igual a la
componente del peso perpendicular al plano, w = mg Cos θ
- 57 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Por lo que en este caso el valor del vector fuerza normal N se obtiene de la
siguiente forma:
N=mg Cos θ
Es también muy importante tomar en cuenta que:
Siempre que se pretende que un cuerpo en estado de reposo se empiece a mover
o si este se mueve a través de una superficie o a través de un medio viscoso,
como el aire o el agua, hay una fuerza que se opone al movimiento debido a
que el cuerpo interactúa con sus alrededores. Dicha resistencia recibe el nombre
de fuerza de fricción.
La Fricción se define como fuerza de rozamiento entre dos superficies en
contacto, y es la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la
otra, fuerza de fricción cinética, o a la fuerza que se opone al inicio del
movimiento, fuerza de fricción estática. Se genera debido a las imperfecciones,
especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas
imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente
perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo, que simbolizaremos con la letra
griega φ para diferenciarlo de otros ángulos, con la normal; llamado ángulo de
rozamiento. Por tanto, esta fuerza resultante se compone de la fuerza normal N, la
cual es perpendicular a las superficies en contacto y de la fuerza de rozamiento,
paralela a las superficies en contacto.
Como se mencionó anteriormente existen dos tipos de fuerzas de rozamiento o
fricción, la fricción estática y la fricción cinética. La primera es una resistencia que
se debe superar para poner movimiento a un cuerpo con respecto a otro cuando
se encuentran en contacto. La segunda es una fuerza de magnitud constante que
se opone al movimiento una vez que este ya comenzó. En resumen, lo que
diferencia a un roce con el otro es que el estático actúa cuando el cuerpo está en
reposo y el cinético cuando está en movimiento.
No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento
cinético y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es mayor que el
cinético, porque al permanecer en reposo ambas superficies, pueden aparecer
enlaces iónicos, o incluso microsoldaduras entre las superficies. Este fenómeno es
tanto mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos
común es el del interior del motor, que por estar mucho tiempo parado diferentes
factores como la temperatura, la humedad y el polvo provocan que al permanecer
las superficies del pistón y los cilindros durante largo tiempo en contacto y en
reposo, se pueden llegar a soldar entre sí. Y un ejemplo bastante simple de
fricción cinética es la ocurrida con las llantas de un auto al frenar.
- 58 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Coeficiente de de fricción o de rozamiento
La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas, son
extremadamente rugosas a escala microscópica.
(b)
(a)
Rozamiento por deslizamiento. (a) El cuerpo de arriba va deslizando hacia la
derecha sobre el cuerpo de abajo en este diagrama amplificado. (b) Un diagrama
más amplificado mostrando dos sitios en donde ha ocurrido adherencia superficial.
Se requiere una fuerza para separar estas soldaduras y conservar el movimiento.
Cuando dos superficies son puestas en contacto, el movimiento de una respecto a
la otra genera fuerzas tangenciales que definimos anteriormente como fuerzas de
fricción, las cuales tienen sentido contrario a la fuerza aplicada. La naturaleza de
este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas
de las dos superficies que se encuentran en contacto. El coeficiente de fricción es
una cantidad adimensional que expresa la oposición que ofrecen dichas
superficies al movimiento relativo de una con respecto a la otra. Usualmente se
representa con la letra griega μ.
El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de materiales,
y no una propiedad intrínseca de un material en especial. Depende además de
muchos factores como la temperatura, el acabado o rugosidad de las superficies
en contacto, la velocidad relativa entre las superficies, el tiempo que las
superficies duran en contacto, etcétera, por lo que su valor se determina
experimentalmente. Sin embargo, existen manuales especializados en los que se
pueden consultar un gran número de coeficientes de fricción de los materiales más
utilizados.
- 59 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Ejemplo:
Coeficiente de rozamiento de algunas sustancias:
Coeficientes de fricción estática y dinámica.
Usualmente se distinguen dos valores, como se ilustra en la tabla anterior.
Coeficiente de rozamiento estático μe: se mide cuando ambas superficies en
contacto están en reposo.
Coeficiente de rozamiento dinámico μd: se mide cuando ambas superficies
están en movimiento relativo el uno respecto del otro, puede moverse una sola
superficie o ambas.
El coeficiente de rozamiento dinámico es, para la mayoría de los pares de
materiales, menor que el estático, cosa que puede comprobarse fácilmente.
Cuando intentamos empujar un objeto pesado comprobamos que la fuerza que
- 60 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
tenemos que realizar para que se comience a mover es mayor que la fuerza
necesaria para mantenerlo en movimiento. Parece como si el bloque estuviera
inicialmente pegado al suelo de modo que una vez que lo despegamos se desliza
con cierta facilidad.
Cálculo de la fuerza de rozamiento.
Conocido el valor del coeficiente de rozamiento aplicable a nuestro caso, la fuerza
de rozamiento FR máxima que puede ejercer una superficie sobre la otra se
expresa como el producto del coeficiente de rozamiento μ por la fuerza normal N,
perpendicular, a ambas superficies.
Leyes del rozamiento para cuerpos sólidos.
La fuerza de rozamiento es paralela a la dirección de la superficie de apoyo.
El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de la
superficie de contacto.
El coeficiente de rozamiento depende de la naturaleza de los cuerpos en
contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.
La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza
normal que actúa entre las superficies de contacto.
Para un mismo par de cuerpos, el rozamiento es mayor un instante antes
del movimiento que cuando se está en movimiento. En el primer caso el
fenómeno recibe el nombre de fricción estática o fricción seca, en el
segundo el de fricción cinética o fricción viscosa.
Para comprender mejor la forma que actúan las fuerzas de fricción se tienen las
siguientes leyes empíricas:
La dirección de la fuerza de fricción estática Fe entre cualesquiera dos superficies
en contacto se opone a la dirección de cualquier fuerza aplicada y su valor se
puede obtener mediante:
En donde la constante adimensional μe recibe el nombre de coeficiente de fricción
estática, y N es la magnitud de la fuerza normal.
- 61 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
La dirección de la fuerza de fricción cinética FC que actúa sobre un objeto es
opuesta a la dirección de su movimiento y está dada por:
En donde μc es el coeficiente de fricción cinética.
Los valores de μc y μe dependen de la naturaleza y rugosidad de las superficies y
se obtienen experimentalmente, aunque μc es, por lo general, menor que μe. Los
valores característicos de μ varían de casi siempre de 0.05 hasta 1.5.
Antes de resolver problemas de aplicación de las leyes de Newton es muy
importante aprender a dibujar diagramas de cuerpo libre.
Diagrama de Cuerpo Libre.
Con el fin de tener buenos resultados al aplicar la segunda ley de Newton a un
sistema mecánico, se debe ser capaz, primero, de saber y reconocer todas
fuerzas que actúan sobre el sistema. Es decir, debemos poder construir el
diagrama de cuerpo libre correcto.
Cuando se hace un diagrama de cuerpo libre se deben tomar en cuenta cada uno
de los elementos que interactúan en el sistema.
A continuación, se muestran algunos ejemplos de diagramas de cuerpo libre, para
eso se debe saber que: F denota cierta fuerza aplicada, w = mg es el peso o
fuerza que la gravedad ejerce sobre los cuerpos, n es la fuerza normal, f es la
fuerza de fricción y T es la fuerza de tensión en la cuerda que jala al objeto.
A la izquierda se ilustran varios sistemas mecánicos y a la derecha los diagramas
de cuerpo libre correspondientes. El término rugoso significará únicamente que la
superficie tiene fricción.
- 62 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Fuerza de fricción estática.
Existe una fuerza de fricción entre dos objetos que no están en movimiento
relativo; tal fuerza se llama fuerza de fricción estática. En la siguiente figura
aplicamos una fuerza F que aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en
reposo. Como en todos estos casos la aceleración es cero, la fuerza F aplicada es
igual y opuesta a la fuerza de fricción estática Fe, ejercida por la superficie.
- 63 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
La máxima fuerza de fricción estática Fe max, corresponde al instante en que el
bloque está a punto de deslizar. Los experimentos demuestran que:
Fe máx = μeN.
Donde la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de fricción
estática. Por tanto, la fuerza de fricción estática varía, hasta un cierto límite, para
impedir que una superficie se deslice sobre otra:
Fe máx <= μe.
Ejemplo:
El objetivo de este ejemplo, es analizar el movimiento de los tres cuerpos que
forman el sistema que aparece en la figura.
Un cuerpo A cuelga de una cuerda que pasa a través de una polea de masa
despreciable y que está unida a un bloque B que puede deslizar a lo largo de un
plano horizontal. Sobre el bloque B se coloca un cuerpo C. Se supone que el
rozamiento entre el cuerpo B y el plano horizontal es despreciable. Mientras que
existe un rozamiento entre el cuerpo C y el cuerpo B
Este ejemplo puede servir como experiencia simulada para medir el coeficiente de
rozamiento estático. Se va variando la masa del cuerpo A; es decir, la aceleración
del sistema, hasta observar que el cuerpo C comienza a deslizar sobre el cuerpo
B. Con los datos de las masas de los tres cuerpos calculamos la aceleración del
sistema y a partir de este dato determinamos el coeficiente de rozamiento estático.
De la siguiente forma:
- 64 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
En la figura, vemos el diagrama de fuerzas, a partir del cual obtenemos las
ecuaciones del movimiento de cada uno de los cuerpos en las distintas
situaciones.

Cuando el cuerpo C está en reposo sobre el cuerpo B
Ambos tienen la misma aceleración a que la del cuerpo A
La fuerza de rozamiento Fr es la que hace que el cuerpo C se mueva con el
cuerpo B: el cuerpo B ejerce una fuerza Fr sobre el cuerpo C dirigida hacia la
derecha. Por el Principio de Acción y Reacción el cuerpo C ejerce una fuerza igual
y de sentido contrario sobre el cuerpo B.
De estas ecuaciones obtenemos la aceleración a y la fuerza Fr de rozamiento
entre los cuerpos B y C.

Cuando el cuerpo C va a empezar a deslizar sobre el cuerpo B
Cuando Fr = mc · a alcance el valor máximo μsN o bien, μs mc g, el cuerpo C va a
empezar a deslizar sobre el cuerpo B. μs es el coeficiente de rozamiento estático.
- 65 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Incrementando la masa de A, incrementamos la aceleración, en el momento en el
que el cuerpo C va a empezar a deslizar se cumple que
a = μs g
Calculamos la aceleración crítica a1 a partir de los valores de las masas mA, mB y
mC en la fórmula anterior y, a continuación, obtenemos el valor del coeficiente de
rozamiento estático.

Cuando el cuerpo C desliza sobre el cuerpo B
Cuando se incrementa aún más la masa de A, se incrementa la aceleración a, el
cuerpo C desliza sobre el cuerpo B, el valor de la fuerza de rozamiento disminuye
y vale ahora
Donde μK es el coeficiente de rozamiento por deslizamiento.
Las aceleraciones a del cuerpo B y la aceleración a' del cuerpo C ya no son las
mismas
- 66 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Como la aceleración a de B, es mayor que la aceleración a’ de C, la aceleración
relativa de C respecto de B, es a’-a. Desde el punto de vista de un observador
situado en B, el cuerpo C se mueve hacia atrás con una aceleración |a’-a|.
La velocidad con respecto al Laboratorio del cuerpo C cuando abandona el cuerpo
B será
Donde t es el tiempo que C está deslizando sobre B.
En el momento en el que el cuerpo C abandona el bloque B, la aceleración del
sistema formado por los bloques A y B cambia,

El cuerpo C abandona el cuerpo B
- 67 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
El tiempo que tarda en llegar al plano horizontal es
Donde h es la altura del bloque B.
La distancia que recorre horizontalmente es
x = v Ct

El cuerpo C desliza sobre el plano horizontal
Una vez que el cuerpo C entra en contacto con el plano horizontal, sobre el cuerpo
C actúa una fuerza de rozamiento que hace que se pare al cabo de un cierto
tiempo.
- 68 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Suponemos que la fuerza de rozamiento entre el plano horizontal y el bloque C, es
la misma que entre el bloque C y el bloque B. El cuerpo C, con una velocidad
inicial horizontal vC, se parará después de haber recorrido una distancia x, dada
por
Fuerza de fricción cinética.
En la siguiente figura mostramos un bloque de masa m que se desliza por una
superficie horizontal con velocidad constante. Sobre el bloque actúan tres fuerzas:
el peso mg, la fuerza normal N, y la fuerza de fricción FK entre el bloque y la
superficie. Si el bloque se desliza con velocidad constante, la fuerza aplicada F
será igual a la fuerza de fricción FK.
Podemos ver que si duplicamos la masa m, se duplica la fuerza normal N, la
fuerza F con que tiramos del bloque se duplica y por tanto FK se duplica. Por tanto
la fuerza de fricción cinética FK es proporcional a la fuerza normal N.
La constante de proporcionalidad μK es un número sin dimensiones que se
denomina coeficiente de fricción cinético.
- 69 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
FRICCIONES.
Ejemplo:
Una mujer en el aeropuerto jala su maleta de 20 kg con una rapidez constante. La
correa de la maleta forma un ángulo θ con respecto a la horizontal. La mujer jala la
correa con una fuerza de 35N. La fuerza de fricción que hay entre la maleta y el
piso es de es 20 N. Dibuja un diagrama de cuerpo libre para la maleta y calcula:
a) El ángulo que forma la correa con la horizontal.
b) La fuerza normal que ejerce el piso sobre la maleta.
Datos:
- 70 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Principio Fundamental de la Dinámica de Traslación.
El cambio de movimiento, llamado cantidad de movimiento p, que experimenta un
cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que se ejerce sobre él. Tiene la
misma dirección y sentido que la fuerza aplicada. Actualmente a la cantidad de
movimiento también se le da el nombre de momento lineal.
La cantidad de movimiento o momento lineal p se define como el producto de la
masa m de un cuerpo en movimiento por su velocidad v.
p=mv
- 71 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Al ser la masa una magnitud escalar y la velocidad una magnitud vectorial, la
cantidad de movimiento ha de ser necesariamente vectorial de dirección y sentido
iguales las del vector velocidad.
Si se modifica la velocidad de un cuerpo por la acción de una fuerza externa, ya
sea en valor, dirección y/o sentido, se modifica, y en consecuencia, su cantidad de
movimiento. Este cambio no es inmediato, sino que lleva instantes. Así pues,
podemos relacionar la variación de momento lineal con el tiempo y la fuerza de la
siguiente forma:
De esta manera reobtiene otra forma de representar matemáticamente la 2a Ley
de Newton, que es la expresión conocida como Ecuación de la Dinámica de
Traslación, como se estudia en cinemática.
F=ma
De esta forma podemos redefinir esta ley como:
Si sobre un cuerpo actúan una o varias fuerzas cuya resultante sea
diferente de cero, este adquiere una aceleración con un valor que es
directamente proporcional al valor de la o las fuerzas e inversamente
proporcional a la masa del cuerpo.
a=F/m
Los sistemas de fuerzas en los que esta ley no se verifica se llaman sistemas no
inerciales.
ENERGÍA CINÉTICA DE ROTACIÓN.
Las leyes de Newton facilitan la comprensión y el análisis de muchos problemas
de mecánica. Ahora vamos a examinar otro método basado en uno de los
conceptos verdaderamente fundamentales y universales de la Física: la energía.
Hay muchas clases de energía, por ahora abordaremos principalmente la energía
cinética rotacional, que se relaciona con un cuerpo rígido en movimiento.
- 72 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Trabajo de un peso.
Trabajo se define como el producto de un desplazamiento por la componente de la
fuerza en la dirección del desplazamiento.
El trabajo del peso de un cuerpo, es decir, el que la gravedad ejerce sobre ese
cuerpo, se obtiene al sustituir peso (P) por fuerza, por lo tanto el trabajo será:
Donde h es la altura que se desplazará el cuerpo.
Ahora consideremos el trabajo realizado en el desplazamiento rotacional bajo la
influencia de un momento de torsión resultante.
Considerando la fuerza F que actúa al borde de una polea de radio r, como se
muestra en la figura siguiente, el efecto de dicha fuerza es hacer girar la polea a
través de un ángulo θ mientras el punto en el que se aplica la fuerza se mueve
una distancia “s”. La distancia del arco “s” se relaciona con un θ mediante
Así, el trabajo de la fuerza F es por definición
Pero Fr es el momento de torsión debido a la fuerza, por lo tanto
- 73 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
La energía mecánica generalmente se transmite en forma de trabajo rotacional.
Cuando hablamos de la potencia de salida que desarrollan las máquinas, lo que
nos interesa es la rapidez con que se realiza el trabajo rotacional. Por lo tanto, la
potencia rotacional puede determinarse dividiendo ambos lados de la ecuación por
el tiempo t requerido para que el momento de torsión
lleve a cabo un
desplazamiento θ.
Puesto que θ / t representa la velocidad media angular
, escribimos
Observe la similitud entre esta relación y su análoga
Ley de la conservación de la energía
Una partícula que se mueve en un círculo de radio R tiene una velocidad lineal
V=ωR
- 74 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Si la partícula tiene una masa m tendrá una energía cinética igual a
Un cuerpo rígido se puede considerar formado por muchas partículas de
diferentes masas localizadas a diversas distancias del eje de rotación 0. La
energía cinética total de un cuerpo será entonces la suma de las energías
cinéticas de cada partícula que forma el cuerpo.
Puesto que la constante ½ y la velocidad angular ω son las mismas para todas las
partículas, se puede reorganizar la ecuación anterior y obtener:
La cantidad entre paréntesis,
Tiene el mismo valor para un cuerpo dado independientemente de su estado de
movimiento. Se define esta cantidad como “el momento de inercia” y se representa
por I:
O bien
La unidad del SI para la I es el kilogramo - metro al cuadrado. Utilizando esta
definición, podemos expresar la energía cinética rotacional de un cuerpo en
términos de su momento de inercia y de su velocidad angular.
- 75 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Nota la similitud entre los términos m para el movimiento lineal e I para el
movimiento rotacional.
La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. Se mide en Joule
que corresponde a 1 Nw m.
Energía cinética: el trabajo realizado por una fuerza sobre un cuerpo es igual a
una variación de su energía cinética:
Energía potencial: el trabajo realizado por una fuerza conservativa sobre un
cuerpo es igual a la disminución de la energía potencial:
Si es la fuerza conservativa la única fuerza que actúa sobre el cuerpo podemos
decir que:
Si sobre un cuerpo sólo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica se
conserva en todos los puntos de su trayectoria.
Una fuerza es conservativa si el trabajo que realiza para trasladar una partícula
material de un punto A a otro B no depende del camino seguido sino tan solo de
los puntos inicial y final.
El trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a la suma del trabajo realizado
por las fuerzas conservativas más el trabajo realizado por las fuerzas no
conservativas.
- 76 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
ÍMPETU E IMPULSO ANGULAR.
Como decíamos, la cantidad de movimiento angular es un vector cuya magnitud
es L= I ω y que está dirigido a lo largo del eje de rotación. Si la torca resultante
sobre el cuerpo es cero, la cantidad de movimiento angular permanece constante
tanto en magnitud como en dirección. A esta ley se le conoce como Ley de
Conservación de Momento Angular.
De acuerdo con la ecuación fundamental del movimiento angular,
Y
Por lo tanto, la segunda ley de Newton quedaría:
Multiplicando por t, obtenemos:
Impulso angular = cambio en cantidad de movimiento angular
Momento de inercia de figuras regulares
El momento de inercia es una magnitud cuyo valor depende de la distribución de
la masa respecto del eje considerado, por lo tanto un mismo cuerpo puede tener
infinitos momentos de inercia.
Si los elementos de masa de un objeto se distribuyen paralelos al eje de rotación,
el momento de inercia del objeto no cambia. Por lo tanto, la expresión
I = MR2
- 77 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Se puede usar con igual eficiencia para calcular el momento de inercia axial de un
anillo de bordado o de un largo tubo de drenaje. De igual modo, una puerta que
gira en sus bisagras se describe con la misma expresión de momento de inercia
que la tabulada para una varilla larga y delgada que gira alrededor de su extremo.
A continuación tenemos algunas figuras regulares con su momento de inercia
- 78 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
- 79 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
- 80 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Para realizar las prácticas de este bloque se necesitarán varios aparatos
especiales que son un poco inaccesibles por su precio, por tal motivo realizaremos
de manera práctica y accesible algunos de los dispositivos o instrumentos para la
realización de las mismas, quizás no sean exactos al 100%, pero nos darán una
visión clara de lo que pretendemos demostrar y nos servirán para alcanzar
nuestros propósitos. Para la realización de los mismos podríamos necesitar el
apoyo de algún adulto.
El primero será cómo hacer un soporte universal, el cual nos ayudará para hacer
la mayoría de los experimentos.
El segundo de este bloque será como hacer una polea, para el cual, utilizaremos
el primero como soporte de la misma.
El tercero será la construcción de un dinamómetro, el cual es muy indispensable
para la medición de una fuerza.
- 81 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 9. Construcción de Soporte
Universal
Construcción de Soporte Universal
Materiales.
1 tabla de madera de 30cm x 30cm x 1”
1 polín de madera de 1” x 1” x 1 m
1 regla o cinta métrica
4 pijas de 1.5”
1 desarmador
1 hoja de segueta
Pegamento blanco
Procedimiento.
1.-
Con el lápiz y la regla haz marcas en el polín de madera a 40cm y a 80cm.
2.-
Toma la segueta y corta el polín sobre las marcas, te deben quedar dos
tramos de 40cm y uno de 20cm, como se ve en la Figura 1
3.-
Coloca el tramo de 20cm sobre uno de 40cm, de tal manera que se forme
una “L” y coloca una de las pijas de tal manera que quede fija,
posteriormente coloca la otra de 40cm para formar una “U”, como se
muestra en la Figura 2
Tornillos
40cm
20cm
Figura 1
Figura 2
- 82 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
4.-
Ahora toma la tabla de madera y vas a hacer marcas con las medidas que
se muestran en la figura 3.
Figura 3
5.-
En los puntos marcados, y con ayuda de un desarmador coloca los dos
tornillos que faltan, colocando la “U” que hiciste con los polines, de manera
que te queden como en la figura 4. Está listo nuestro Soporte Universal.
Figura 4
Con el lápiz y la regla haz marcas en ambos lados del soporte, para que
nos sirvan de referencias para algunas prácticas.
- 83 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 10. Construcción de Poleas
Construcción de Poleas
Materiales.
4 tapa roscas de refrescos
4 palitos redondo de paleta (rígidos)
1 caja de zapatos (que ya no se use)
1 clavo grueso y largo
1 compás
1 martillo
Pegamento blanco
Procedimiento.
1.-
Toma el martillo y el clavo y haz un agujero en el centro de una de las tapa
roscas, a manera que lo atraviese por completo y repite esto para las otras
tres, como se muestra en la Figura 1.
2.-
Con el compás marca sobre la caja de cartón y marca 8 círculos de 3 cm de
radio cada uno y recórtalos.
3.-
Toma nuevamente el clavo y el martillo y haz un agujero al centro de cada
círculo de cartón que recortaste, como se muestra en la Figura 2.
Figura 1
Figura 2
- 84 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
4.-
Ahora toma un palito de paleta y pásalo por el centro de uno de los círculos
de cartón, le pones pegamento al centro y lo pasas por una de las tapa
roscas, ahora toma esta y le pones pegamento al otro extremo y colocas
otra tapa de cartón, como se muestra en las Figuras 3, 4 y 5.
Figura 3
5.-
Figura 4
Figura 5
Repite el paso anterior con las otras tres tapa roscas y listo, tenemos
hechas nuestras poleas.
- 85 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 11.
Dinamómetro
Construcción
de
un
Construcción de un Dinamómetro
Materiales.
1 trozo de alambre, de 20 a 25cm
1 tubo de plástico o manguera
1 tapón de corcho
1 goma o muelle (liga)
1 aguja capotera
1 rotulador
Pegamento blanco
Procedimiento.
1.-
Toma la goma o muelle (liga) y pásalo por el ojo de la guja capotera y pasa
esta por el centro del tapón de corcho, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1
Esto solo hasta que la muelle atraviese el corcho, saca la aguja y hazle un
nudo, refuerza este con una gota de pegamento, para que no se salga.
2.-
Endereza lo más que puedas el alambre y haz un pequeño gancho en cada
extremo, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2
En uno de ellos ata la muelle y con ayuda de las pinzas cierra lo más que
puedas el gancho del lado en que lo ataste, corta los excesos o sobrante de
alambre y marca con el plumón el nudo, este nos servirá como referencia.
- 86 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
3.-
Pasa el alambre sujeto al muelle por adentro del tubo de plástico o
manguera, hasta que el tapón de corcho llegue a este, a manera que te
quede como el de la Figura 3.
Figura 3
Ahora solo falta dibujar una escala sobre nuestro dinamómetro y quedará
listo.
4.-
Has una marca sobre la manguera, a la altura de la unión del alambre con
la muelle, este será nuestra referencia como punto de reposo, de ahí en
adelante puedes hacer más marcas a distancias iguales, como se muestra
en la Figura 4.
Figura 4
Si deseas que quede un poco más exacto, puedes hacer pesos de 100
gramos con bolsas pequeñas de plástico y arroz, frijol o azúcar, irlas
poniendo en el gancho una por una, e ir marcando el punto donde queda la
unión, y así la escala quedará más exacta.
- 87 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 12. Velocidad y movimiento
rectilíneo uniforme
Velocidad y movimiento rectilíneo uniforme
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Movimientos de cuerpos rígidos, velocidad y
movimiento rectilíneo uniforme
Materiales.
1.5 m de manguera transparente de 1’’ de diámetro
1 tabla de madera de 1.7 m de largo por 10 cm de ancho
7 abrazaderas para tubo de 1”
Tabla
agua
2 tapones de caucho (corcho)
1 canica pequeña
aceite
manguera
1 cinta métrica
1 cronómetro
Agua y aceite de cocina
Pegamento blanco
Procedimiento.
1.-
Coloca uno de los tapones en un extremo de la manguera y asegúrate que
esté a presión para que no se salga, puedes ponerle pegamento blanco
para sellarlo, observa la figura 1.
2.-
Una vez sellado uno de los extremos, coloca la canica dentro y llénalo con
el agua, ten cuidado de no derramarla y considera que vas a poner el
segundo tapón del otro lado, solo que este no lo selles con el pegamento,
mira la figura 2.
3.-
Ahora sujeta la manguera a la tabla con las abrazaderas, cuida de que
quede bien estirada para que no se curve, ya que esto podría causar
algunos problemas, revisa la figura 3.
4.-
Toma la cinta y haz marcas cada 10 cm a lo largo del tubo, así quedara
graduada y se observaran las distancias que recorre la canica.
- 88 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
5.-
Coloca el tubo de plástico con agua en forma vertical, para que la canica
quede en posición inicial, gira el tubo de plástico 180º de manera muy
rápida y acciona el cronometro en forma simultánea y registra el tiempo que
le lleva a la canica ir de un punto a otro.
6.-
Pide a otro compañero que repita el paso anterior y vuelve a registrar el
tiempo.
7.-
Ahora con cuidado quita el tapón de corcho que no sellaste con pegamento
y tira el agua en el lavabo y con cuidado llénalo con el aceite y vuelve a
poner el tapón de corcho.
8.-
Repite los pasos 5 y 6, registrando de nuevo los valores en la tabla.
Persona
Agua
Distancia
Tiempo
Rapidez
1
2
Persona
Aceite
Distancia
Tiempo
1
2
- 89 -
Rapidez
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
1.- ¿La canica recorre distancias iguales en tiempo iguales?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2- ¿Cuál es el valor constante?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 90 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 13.
uniforme variado
Movimiento
rectilíneo
Movimiento rectilíneo uniforme variado
(Plano inclinado)
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Movimientos de cuerpos rígidos, movimiento
rectilíneo uniforme variado, plano inclinado
Materiales.
1 tabla de madera de 1 m de largo por 10 cm de ancho, acanalada
1 soporte universal (experimento 9)
8 clavos chicos y delgados, 1”
Soporte
universal
Tabla
1 cronómetro
1 cinta métrica
1 canica pequeña
Cronómetro
Procedimiento.
1.-
Coloca los dos clavos a un costado del soporte universal, ponlos lo más
parejo posible y a la altura de la marca de 10 cm, haz lo mismo a la altura
de 20, 30 y 40 cm.
2.-
Ahora coloca la tabla de madera en las chinches que están en la marca de
10 cm, pon sobre ella la canica y suéltala al tiempo que accionas el
cronómetro y lo paras cuando se detenga la canica, como se muestra en la
Figura 1.
3.-
Mide la distancia a la que queda la canica y anota el dato en la tabla, junto
con el tiempo.
4.-
Repite los pasos 2 y 3, pero ahora a la altura de 20, 30 y 40 cm, llena la
tabla
- 91 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Figura 1
Altura
Ángulo
(O)
Distancia
(m)
Tiempo
(s)
10 cm
20 cm
30 cm
40 cm
Tabla 1
- 92 -
Tiempo2
(s2)
Cociente
(d/t2 = m/s2)
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
1.- ¿Qué pasó con la distancia recorrida y el tiempo cuando se incrementaba la
altura de la tabla?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2- ¿Explica por qué?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 93 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 14. Movimiento Parabólico
Movimiento Parabólico
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Movimiento parabólico
Materiales.
1 soporte universal (experimento 9)
1 manguera gruesa de 80 cm
4 hojas blancas de tamaño carta
Manguera
Cinta métrica
4 hojas de papel carbón
1 cinta métrica
1 canica o balín
1 cronómetro
Papel Carbón
Cronómetro
Hojas blancas
Procedimiento.
1.-
Toma los materiales solicitados y acomódalos según la Figura 1.
- 94 -
Soporte
universal
Experimentos de Temas Selectos de Física I
2.-
Coloca la manguera a la altura de 10 cm, toma la canica o balín y suéltala
de manera que pase por la manguera, con la cinta mide la marca que deja
sobre la hoja blanca y anótalo en la tabla.
3.-
Mediante “y” calcula el tiempo (t) que permanece en el aire el balín
aplicando la fórmula de caída libre:
4.-
Mediante “x” calcula la velocidad horizontal con que inicia su movimiento el
balín al salir de la manguera, aplicando la fórmula de Movimiento
Rectilíneo Uniforme:
5.-
Repite los pasos 2, 3 y 4 colocando la manguera en la marca de 20, 30 y 40
cm y llena la tabla
Tiro del Balín
Y
X
TIEMPO
VELOCIDAD
10 cm
20 cm
30 cm
40 cm
Reporte.
1.- ¿Qué pasó con la distancia X con respecto a la variación de la soltura del
balín?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 95 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 15. Caída libre
Caída libre
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Caída Libre
Materiales.
1 libro (tamaño carta)
1 hoja de papel (tamaño carta)
Regla 30 cm
1 billete (cualquier denominación)
Hoja blanca
1 cronómetro
Libro
1 palo de escoba
1 cinta métrica
1 regla de 30 cm
Billete
Cinta métrica
Escoba
Cronómetro
Procedimiento.
1.-
Toma con una mano la hoja blanca y con la otra el libro, ponlos de manera
horizontal y extiende tus brazos al frente, a la misma altura y déjalos caer
simultáneamente, observa.
2.-
Coloca el libro y la hoja como se muestra en la Figura 1, suelta el libro y
observa.
- 96 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
3.-
Toma el billete de tal manera que su parte central entre los dedos de un
compañero, como se muestra en la Figura 2, pide a tu compañero que este
atento para cuando lo sueltes y el trate de atraparlo, hazlo y observa.
Figura 2
4.-
Toma el palo de la escoba y con la cinta métrica y una pluma, hazle marcas
cada 2 cm hasta completar 1 m, como en la Figura 3.
Figura 3
5.-
Ahora toma el palo con las marcas, poniendo la marca de 100 cm hacia
arriba y la de 0 cm hacia abajo, déjalo caer y pide a tu compañero que trate
de tomarlo, observa y anota en la tabla
6.-
Pídele a tres compañeros más que pasen y traten de tomarlo cuando lo
dejes caer nuevamente y anota los resultados en la tabla, calcula el tiempo
y la velocidad final con las fórmulas
Despejando
- 97 -
y
Experimentos de Temas Selectos de Física I
PERSONA
TIEMPO
DISTANCIA
VELOCIDAD
FINAL
1
2
3
4
Reporte.
1.- Con respecto al paso 1, ¿Cuál llegó primero, la hoja o el libro?, explica por
qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- Con respecto al paso 2, ¿Cuál llegó primero, la hoja o el libro?, explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3.-
Con respecto al paso 3, ¿Qué pasó con el billete?, ¿Pudiste atraparlo?,
explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 98 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 16. Rotación y traslación,
fuerza centrífuga
Rotación y traslación
(fuerza centrífuga)
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Rotación y traslación, fuerza centrífuga
Materiales.
2 tubos de cobre de 1” x 20 cm, c/u
1 rueda de Bicicleta
Tubos de cobre
1 silla secretarial giratoria
1 juego de mancuernas
Juego de Mancuernas
Rueda de
bicicleta
Silla secretarial
Procedimiento.
1.-
Acciona la palanca de altura de la silla y ponla en lo más alto.
2.-
Pide a un compañero que se siente en la silla sin apoyar los pies en ningún
lado, tome las mancuernas y abra los brazos, como se muestra en la
Figura 1, mientras otro compañero lo toma de los hombros y lo hace girar.
Figura 1
3.-
Indícale que una vez que esté girando dé por lo menos una vuelta, que
cierre los brazos y ponga las mancuernas a la altura del pecho, como se
muestra en las siguientes Figura 2 y observa.
- 99 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Figura 2
4.-
Ahora pídele a otro compañero que se siente en la silla, tome los dos
tramos de tubo y los coloque en el eje de la rueda de bicicleta, uno en cada
lado, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3
5.-
Que otro de tus compañeros haga girar la rueda y el que la sostiene la
incline hacia su lado izquierdo, como se muestra en la Figura 4 y observa.
Figura 4
- 100 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
1.- Con respecto al paso 2, ¿Qué pasó cuando cerró los brazos?, explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- Con respecto al paso 5, ¿Qué pasó cuando inclinó sus brazos?, explica por
qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 101 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 17. Trabajo y energía, fricción
Trabajo y energía
(fricción)
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Trabajo y Energía, Fricción
Materiales.
1 dinamómetro (experimento 11)
3 libros o libretas gruesos
Masking tape
10 m de hilo de cáñamo
1 cronómetro
Cronómetro
1 cinta métrica
Dinamómetro
Cinta masking tape
Libros
o
Cinta
métrica
libretas
Arena
Cáñamo
Procedimiento.
1.-
Coloca sobre el piso un tramo de cinta masking tape de 6 m al frente o un
costado del escritorio, haciendo marcas cada metro con otro pedazo de
cinta, como se muestra en la Figura 1.
Altura
0
1
2
Figura 1
- 102 -
3
4
5
6
Experimentos de Temas Selectos de Física I
2.-
Toma la cinta y mide la altura del escritorio y anótalo en la Tabla 1, ya que
esta te servirá para hacer algunos cálculos.
3.-
Toma el dinamómetro, hilo de cáñamo y un libro y colócalos según el
Esquema 1, a un costado de la cinta que colocaste en el piso.
Un libro
Esquema 1
Para no maltratar el libro, puedes pasar el hilo más o menos a la mitad de
las hojas y hacerle un nudo; es importante que la tapa del libro quede libre
sobre la superficie del piso.
4.-
Te van ayudar dos compañeros más para hacer este experimento, uno va a
jalar el hilo de cáñamo por encima del escritorio con una sola mano y pídele
que ponga atención en la fuerza que aplica, mientras que otro va a
tomar el tiempo en que pasa el libro por cada marca que se hizo en el
piso (1, 2, 3, 4, 5 y 6 m), mientras que tú lo anotas en la Tabla 1.
Un libro, superficie libre
Distancia
1m
2m
3m
4m
5m
6m
Altura
Ángulo
Fuerza
Tabla 1
- 103 -
Tiempo
Trabajo
Experimentos de Temas Selectos de Física I
5.-
Repite los pasos 3 y 4, pero ahora coloca tres libros, llena la Tabla 2.
Tres libros, superficie libre
Distancia
1m
2m
3m
4m
5m
6m
Altura
Ángulo
Fuerza
Tiempo
Trabajo
Tabla 2
6.-
Esparce la arena a un costado de la cinta que pusiste en el piso y repite el
experimento anterior con 1 y con 3 libros y llena la Tabla 3 y 4.
Un libro, superficie con arena
Distancia
1m
2m
3m
4m
5m
6m
Altura
Ángulo
Fuerza
Tiempo
Trabajo
Tabla 3
Tres libros, superficie con arena
Distancia
1m
2m
3m
4m
5m
6m
Altura
Ángulo
Fuerza
Tabla 4
- 104 -
Tiempo
Trabajo
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
1.- ¿Qué pasó con la fuerza y el trabajo cuando se pusieron tres libros en vez de
uno sobre el piso?, explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Qué pasó con la fuerza y el trabajo cuando se pusieron tres libros en vez de
uno sobre el piso con arena?, explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 105 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 18. Rozamiento, coeficiente de
fricción
Rozamiento, coeficiente de fricción
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Rozamiento, coeficiente de fricción
Materiales.
1 bloque de madera de 10cm x 10cm x 2”
Papel cascarón
Lija p/madera
1 hoja de papel cascarón de 28cm x 35cm x 1/8”
1 hoja de lija para madera
Lija p/metal
1 hoja de lija para metal
1 exacto o cuter
1 cinta métrica
Bloque de madera
Pegamento blanco
Cinta métrica
Procedimiento.
1.- Coloca sobre una mesa o el escritorio la hoja de papel cascarón, y sobre
ella el bloque de madera alineado sobre uno de sus lados, sin nada entre ellos y
empieza a levantar ese mismo el lado sin despegar el otro de la mesa, esto hasta
que el bloque e de madera se empiece a deslizar.
Mira la Figura 1
2.-
Con la cinta mide la altura a la cual se empezó a deslizar el bloque de
madera y calcula el ángulo, anota los resultados en la Tabla 1. Calcula el
coeficiente de rozamiento mediante la fórmula
μ = tan θ
3.-
Repite los pasos 1 y 2, colocando la lija para metal sobre el papel
cascarón, puedes colocar solo dos gotas de pegamento sobre este para
que no se mueva.
4.-
Repite los pasos 1 y 2, ahora colocando la lija para madera sobre el papel
cascarón, si te cuesta trabajo quitar la otra lija, solo dale vuelta al papel
cascarón.
- 106 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Bloque de
madera
Deslizamiento
Papel
cascarón
h=?
θ=?
Figura 1
Material
Altura
Ángulo
Coeficiente
(h)
(θ)
(μ)
Madera – Cartoncillo
Madera – Lija p/metal
Madera – Lija p/madera
Tabla 1
Reporte.
1.- ¿Con cuál material inclinaste menos el papel cartoncillo y con cuál menos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- Explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
________________________________________________________________
- 107 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 19. Poleas y trabajo
Poleas y trabajo
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Poleas y trabajo
Materiales.
1 soporte universal (experimento 9)
Soporte
universal
1 par de cordones para zapato
Poleas
3 poleas (experimento 10)
Armellas
3 armellas
1 tijeras
Tijeras
Cordones
Procedimiento.
1.-
Toma el soporte y las 3 armellas y colócalas en el soporte con las medidas
que se indica en la Figura 1, asegúrate de encajarlas hasta que quede solo
la argolla de fuera.
Figura 1
- 108 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
2.
Corta uno de los cordones en tres tramos de 10cm; toma uno de los
tramos y amarra cada punta a un extremo del eje de una polea, como se
muestra en la Figura 2.
Figura 2
Haz lo mismo con otra polea más, para tener dos armadas
3.-
Con la tercera polea vas a hacer lo mismo que con las anteriores, solo que
en esta, antes de amarrar el segundo extremo, pasa primero el cordón por
una de las argollas, ya sea la del lado izquierdo o derecho, como se
muestra en la Figura 3.
Polea
Figura 3
4.-
Pasa un tramo de cordón por la polea y coloca un objeto de peso
específico, de unos 0.5 kg. Como se muestra en la Figura 4.
Figura 4
Aplicación
de fuerza
0.5 kg.
- 109 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
5.-
Pide a un compañero que pase y trate de levantar el peso aplicando fuerza
sobre el cordón y trate de levantar el peso, observa.
6.-
Ahora toma una de las poleas que se armó en el Paso 2 y colócala como
se muestra en la Figura 5.
Figura 5
Polea del paso 3
Polea del paso 2
Aplicación
de fuerza
0.5 kg.
7.-
Pide al mismo compañero del paso 5 que levante el peso aplicando fuerza
sobre el cordón, observa.
8.-
Toma la segunda polea que se armó en el Paso 2 y colócala como se
muestra en la Figura 6.
Polea del paso 3
Polea del paso 2
Aplicación
de fuerza
Polea del paso 2
Figura 6
0.5 kg.
9.-
Pide al mismo compañero del paso 5 que levante el peso aplicando fuerza
sobre el cordón, observa.
- 110 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
Pregunta a tu compañero: ¿en qué ocasión le costó más trabajo levantar el peso?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- Explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 111 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 20. Impulso y cantidad de
movimiento
Impulso y cantidad de movimiento
Número del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Impulso y Cantidad de Movimiento
Materiales.
1 tabla de 3” x 65” x 1” (7.5cm x 165cm x 2.5cm)
2 polines de 1” x 1” 65”
8 canicas grandes
Pegamento blanco
Procedimiento.
1.-
Toma los dos polines y ponles una tira de pegamento blanco a lo largo y de
un solo lado, colócalos sobre la tabla de madera bien alineada, de modo
que quede un pequeño espacio entre los dos, como si fuera un canal, como
se muestra en la Figura 1.
Figura 1
Asegúrate de que la canica ruede libremente entre el canal que queda, pero
sin introducirse por completo, es decir, que le sirva solo como guía para el
movimiento.
2.-
Acomoda juntas siete de las canicas al centro de la tabla y desliza una a
manera que le pegue a la primera, observa que pasa.
3.-
Repite el paso 2, pero ahora con 6 canicas acomodadas y trata de enviar 2
juntas para golpear a las 6, observa que pasa.
4.-
Repite el paso anterior pero ahora con tres canicas, observa.
- 112 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Reporte.
1.- ¿Qué pasó cuando la primera canica le pegó a las demás juntas?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Qué pasó en los otros dos casos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3.- Explica por qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 113 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 21. Aceleración, fuerzas y
masa
Aceleración, fuerza y masa
úmero del Bloque. III
Nombre del Bloque. Analizas la Cinética Rotacional
Tiempo asignado. 22 horas
Objetos de aprendizaje. Aceleración, Fuerza y Masa
Materiales.
1 caja de cartón o un pedazo de 15cm x 15cm
1 carrito pequeño de juguete
1 mesa o escritorio
Caja de
cartón
Carrito de juguete
3 pesos de 20g c/u
1 cinta métrica
Diurex o masking tape
Hilo
3 bolsas de
20 g c/u
Arena fina
Cinta diurex
Arena
Cinta métrica
Nota:
Los pesos de 20 gramos los podemos hacer en casa, puedes hacerlos con
bolsas pequeñas, de las que usan para hacer hielos de sabores, estas las
puedes rellenar de arena o arroz, azúcar, frijol, etc.
Procedimiento.
1.-
Toma la caja de cartón y recorta un pedazo de 15cm x 15cm y con un lápiz
o pluma hazle un agujero cerca de cada esquina, como se muestra en la
Figura 1.
Figura 1
2.-
Ahora toma el hilo recorta cuatro tramos de aproximadamente 30 cm,
amarra cada uno de ellos en cada agujero, con cuidado de no romper el
cartón.
- 114 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
3.-
Toma la punta libre de cada hilo y júntalos, jala cada uno de ellos hasta que
queden lo mas parejo posible y amárralos, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2
4.-
Con un tramo largo de hilo, amarra un extremo al pedazo de cartón que se
hizo en el paso anterior y el otro extremo al carrito; ya que esté hecho
coloca el carrito sobre la mesa y deja que cuelgue el cartón, como se
muestra en la Figura 3.
Figura 3
5.-
Con mucho cuidado, y poco a poco, coloca o espolvorea arena en el
pedazo de cartón hasta que se empiece a mover el carrito, observa.
6.-
Pon un pedazo de diurex en un extremo de la mesa o escritorio, mide un
metro hacia el otro lado y pon otro pedazo de cinta, esto nos servirá para el
siguiente experimento.
7.-
Ahora pide a un compañero que sostenga al carrito sobre la mesa, que esté
colocado sobre una de las marcas y coloca uno de los pesos de 20 g sobre
el cartón (quita antes la arena que tenía), suéltalo y toma el tiempo que
tarda en llegar a la marca de un metro, anota en la tabla.
8.-
Repite el paso 7, solo ve incrementando el peso primero con dos pesos de
20 g y luego con 3, observa y anota en la tabla.
- 115 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Peso ocupado
para impulso
Distancia
Tiempo
Velocidad
Aceleración
(m)
(s)
( m/s )
( m/s2 )
1 Bolsa, 20 g
1m
2 Bolsas, 40 g
1m
3 Bolsas, 60 g
1m
Reporte.
1.- ¿Hasta cuándo se empezó a mover el carrito en el paso 5?, ¿Por qué?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Que pasó con la velocidad y la aceleración en los pasos 7 y 8?, explica por
qué.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 116 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
º
EXPLICACIÓN DE EXPERIMENTOS
Experimento 1
Fuerza.
Recordemos que la Fuerza es el "impulso" necesario que se ejerce sobre un
objeto para que se mueva o para acelerarlo. La segunda ley del movimiento de
Newton describe cómo la fuerza está relacionada con la masa y la aceleración.
Esta ley se puede expresar en una ecuación matemática. En general, cuanto
mayor es la masa del objeto, mayor será la fuerza necesaria para mover el objeto.
Esta definida por la fórmula
F=ma
Por tal motivo cuando incrementamos la masa (peso) a mover, la fuerza
incrementa proporcionalmente, por tal motivo cuando incrementamos el peso a
mover con las sillas (de ninguna persona a una y de una a dos personas), se tuvo
que aplicar más fuerza para moverlas.
Experimento 2
Vectores (suma de vectores por el método gráfico, desplazamiento).
La distancia es una magnitud escalar y se expresa como la longitud de la
trayectoria seguida por el alumno, mientras que el desplazamiento es una
cantidad vectorial que tiene magnitud y dirección, se determina
independientemente de la trayectoria, basados únicamente en la posición inicial y
final.
Experimento 3
Cuerpos en Equilibrio.
Cuando un cuerpo está sometido a un sistema de fuerzas, que la resultante de
todas las fuerzas y el momento resultante sean cero, entonces el cuerpo está
en equilibrio. Esto, físicamente, significa que el cuerpo, a menos que esté en
movimiento uniforme rectilíneo, no se trasladará ni podrá rotar bajo la acción de
ese sistema de fuerzas.
En el caso de los tenedores, la fuerza que ejercen por su peso está centrada a la
mitad, que es donde se colocó el primer palillo y al sostener este con el segundo,
este no se mueve por que las fuerzas están en equilibrio.
- 117 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 4
Momentos de Fuerza.
Se denomina momento de una fuerza (respecto a un punto dado) a una magnitud
vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de
aplicación de la fuerza con respecto al punto al cual se toma el momento por la
fuerza, en ese orden.
Cuando ponemos una moneda en uno de los extremos, el momento de fuerza que
ejerce se multiplica por la distancia que tiene hasta el punto de apoyo (el lápiz),
para contrarrestar este, necesitamos que el momento que se aplique del otro lado
sea igual, al poner el doble de peso necesitamos reducir la distancia a la mitad
para que la palanca sea igual
Experimento 5
Movimiento de Rotación.
Un cuerpo rígido se mueve en rotación pura si todos sus puntos lo hacen en una
trayectoria circular. El centro de estos círculos ha de estar en una línea recta
común denominada eje de rotación
La rotación de un cuerpo se representa mediante un operador que afecta a un
conjunto de puntos o vectores. El movimiento rotatorio se representa mediante el
vector velocidad angular , que es un vector de carácter deslizante y situado
sobre el eje de rotación. Cuando el eje pasa por el centro de masa o de gravedad
se dice que el cuerpo “gira sobre sí mismo”
En el segundo caso cuando, se puso el alambre en la rueda, el peso subió,
simulando una mayor aplicación de fuerza e incrementando su velocidad angular,
por tal motivo se mantuvo girando más tiempo con el mismo impulso.
Experimento 6
Movimiento de Traslación.
Es aquél que desarrollan los cuerpos que trazan curvas de amplio radio en
comparación a sus respectivas dimensiones.
En este caso, el peso de la rueda,, al encontrase en rotación, ejerce un fuerza que
multiplicada por la distancia (del eje de la rueda hasta los hombros), ocasiona un
momento de fuerza que al ser aplicado, provoca un desplazamiento, haciendo que
la rueda rote alrededor de la silla.
- 118 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 7
Fuerza Centrípeta.
Se llama fuerza centrípeta a la fuerza, o al componente de la fuerza que actúa
sobre un objeto en movimiento sobre una trayectoria curvilínea, y que está dirigida
hacia el centro de curvatura de la trayectoria, definida por la fórmula
Donde m es la masa, la velocidad angular y r el vector de posición, por eso
cuando incrementamos la velocidad al girar la taza de plástico, que es de menor
peso, esta se multiplica por la velocidad y el vector de posición, haciendo que se
levante la taza de cerámica que es de un peso mayor.
Experimento 8
Fuerza Centrífuga.
En la mecánica clásica o newtoniana, la fuerza centrífuga es una fuerza
ficticia que aparece cuando se describe el movimiento de un cuerpo en un sistema
de referencia en rotación, o equivalentemente la fuerza aparente que percibe
un observador no inercial que se encuentra en un sistema de referencia giratorio.
El calificativo de "centrífuga" significa que "huye del centro". En efecto, un
observador no inercial situado sobre una plataforma giratoria siente que existe una
“fuerza” que actúa sobre él, que le impide permanecer en reposo sobre la
plataforma a menos que él mismo realice otra fuerza dirigida hacia el eje de
rotación. Así, aparentemente, la fuerza centrífuga tiende a alejar los objetos del
eje de rotación.
En el caso de las pelotas, al hacerla girar sobre el eje de alambre, la fuerza
centrífuga es la que las levanta sobre el alambre curveado y las aleja del eje de
rotación.
NOTA: Con la finalidad de reforzar de manera correcta la teoría vista en
clases, se propone la construcción de manera práctica y económica de tres
herramientas Indispensables para el estudio y desarrollo de las prácticas de esta
materia, las cuales son, Soporte Universal, Poleas y Dinamómetro.
Experimento 9
Construcción de Soporte Universal.
El soporte universal es una herramienta que se utiliza en laboratorio para
realizar montajes con los materiales presentes en el laboratorio y obtener
sistemas de medición o de diversas funciones.
- 119 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Está formado por una base o pie en forma de semicírculo o de rectángulo, y desde
el centro de uno de los lados, tiene una varilla cilíndrica que sirve para sujetar
otros elementos a través de doble nueces
En este caso se realizó uno modificado para hacerlo más versátil y
económico.
Experimento 10
Construcción de Poleas.
Una polea, es una máquina simple, un dispositivo mecánico de tracción, que sirve
para transmitir una fuerza. Además, formando conjuntos “aparejos o polipastos”
sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
Según la definición de Hatón de la Goupilliére, “la polea es el punto de apoyo de
una cuerda que moviéndose se arrolla sobre ella sin dar una vuelta
completa” actuando en uno de sus extremos la resistencia y en otro la potencia.
Por lo generan son metálicas y pueden mover o soportar grandes pesos, para
fines didácticos, se hicieron de material reciclado y no muy fuertes, pero sí
prácticas.
Experimento 11
Construcción de un Dinamómetro.
El dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerzas o para pesar
objetos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su
funcionamiento en la elongación de un resorte que sigue la ley de elasticidad de
Hooke en el rango de medición. Al igual que una báscula con muelle elástico, es
una balanza de resorte, pero no debe confundirse con una balanza de platillos
(instrumento utilizado para comparar masas).
Estos instrumentos constan de un muelle, generalmente contenido en
un cilindro, que a su vez puede estar introducido en otro cilindro. El dispositivo
tiene dos ganchos o anillas, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan
marcada una escala en el cilindro hueco que rodea el muelle. Al colgar pesos o
ejercer una fuerza sobre el gancho exterior, el cursor de ese extremo se mueve
sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza.
El dinamómetro funciona gracias a un resorte o espiral que tiene en el interior, el
cual puede alargarse cuando se aplica una fuerza sobre él. Una aguja o indicador
suele mostrar, paralelamente, la fuerza
Suelen ser metálicos y costosos, ya que pueden medir un gran rango de fuerzas,
para nuestro propósito, se realizó uno económico y de rango pequeño en la
medición de fuerzas, dando la opción de cómo graduarlo y hacerlo más exacto.
- 120 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Experimento 12
Movimiento rectilíneo uniforme.
Todo cuerpo permanecerá en estado de reposo o con movimiento rectilíneo
uniforme a menos que una fuerza no equilibrada actúe sobre él. El que la
fuerza ejercida sobre un objeto sea cero no significa necesariamente que su
velocidad sea cero. Si no está sometido a ninguna fuerza no equilibrada, incluido
el rozamiento, en este caso un objeto en movimiento seguirá desplazándose a
velocidad constante.
En este caso cuando se utilizó agua, la canica siempre se movió a la misma
velocidad, la diferencia en las mediciones son por apreciación, cuando se cambió
el agua por el aceite, el rozamiento fue bajo e hizo que el tiempo de
desplazamiento fuera menor.
Experimento 13
Movimiento rectilíneo uniforme variado (plano inclinado).
Al igual que en el caso anterior, el reposo se rompe al momento que se pone
sobre la tabla inclinada y observamos que entre más se incrementa la altura el
ángulo crece y ejerce una mayor velocidad y es mayor la distancia que recorre la
canica.
Experimento 14
Movimiento parabólico.
El movimiento parabólico completo se puede considerar como la composición de
un avance horizontal rectilíneo uniforme y un lanzamiento vertical hacia arriba, que
es un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado hacia abajo (MRUA) por la
acción de la gravedad.
En este caso, la velocidad que toma la canica o balín, depende de la altura en que
se ponga la manguera, entre menos alto esté es menor el impulso, en caso
contrario, cuándo más alto esté, es mayor la velocidad que alcanza por la acción
de la gravedad, y más lejos la marca que deja al caer.
Experimento 15
Caída libre.
Se denomina caída libre al movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de
un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las
caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia
aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de
un fluido; sin embargo, es frecuente también referirse coloquialmente a estas
- 121 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
como caídas libres, aunque los efectos de la viscosidad del medio no sean por lo
general despreciables.
En el caso donde se deja caer por separado el libro y la hoja, la resistencia del aire
y el peso influyen en la caída, haciendo que el libro caiga primero, cuando se pone
la hoja por encima del libro, este le tapa el aire a la hoja, disminuyendo la
resistencia de caída, llegando al piso casi simultáneamente. Si se encontraran en
un medio al vacío, caerían simultáneamente sin importar sus dimensiones,
formas o peso.
De igual forma pasa con el billete y el palo de madera; el primero, al tener poco
peso, es menor la velocidad que alcanza en la caída y, en el caso contrario, con el
palo de madera, donde el recorrido de caída depende del tiempo en que tarde en
sujetarlo el compañero, entre más tarde, más es el recorrido y su velocidad final.
Experimento 16
Rotación y traslación.
Rotación es el movimiento de cambio de orientación de un cuerpo o un sistema
de referencia de forma que una línea (llamada eje de rotación) o un punto
permanece fijo.
La rotación de un cuerpo se representa mediante un operador que afecta a un
conjunto de puntos o vectores. El movimiento rotatorio se representa mediante el
vector velocidad angular , que es un vector de carácter deslizante y situado
sobre el eje de rotación. Cuando el eje pasa por el centro de masa o de gravedad
se dice que el cuerpo “gira sobre sí mismo”.
Cuando el compañero que está de pie aplica un impulso al que está sentado en la
silla, esta empieza a girar sobre su eje que permanece fijo, dándose así un
Movimiento de Rotación.
Fuerza centrífuga es una fuerza ficticia que aparece cuando se describe el
movimiento de un cuerpo en un sistema de referencia en rotación, o
equivalentemente la fuerza aparente que percibe un observador no inercial que se
encuentra en un sistema de referencia giratorio.
El calificativo de "centrífuga" significa que "huye del centro". En efecto, un
observador no inercial situado sobre una plataforma giratoria siente que
existe una fuerza que actúa sobre él, que le impide permanecer en reposo
sobre la plataforma a menos que él mismo realice otra fuerza dirigida hacia el
eje de rotación.
Cuando cierra los brazos con las mancuernas o pesas, está dirigiendo otra fuerza
hacia el eje de rotación, provocando con esto un incremento de velocidad de giro y
el peso que se sostiene trata de salir o alejarse del centro, conocida como Fuerza
Centrífuga.
Traslación es un concepto con varias definiciones formales, aunque su uso suele
estar vinculado al movimiento de traslación, que es aquél que desarrollan
- 122 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
los cuerpos que trazan curvas de amplio radio en comparación a sus
respectivas dimensiones.
Para este caso, el radio no es muy amplio, pero la fuerza de rotación de la rueda
se ejerce hacia arriba o hacia abajo, dependiendo del sentido del giro, cuando la
pone de lado, hace que la resultante sea de manera tangente, provocando que la
silla gire (Movimiento de Rotación) y la Rueda efectúe un Movimiento de
Traslación, alrededor del eje de la silla.
Experimento 17
Trabajo y Energía (Fricción).
Se define como energía aquella capacidad que posee un cuerpo (una masa) para
realizar trabajo luego de ser sometido a una fuerza; es decir, el trabajo no se
puede realizar sin energía. Esta capacidad (la energía) puede estar dada por la
posición de un cuerpo o por la velocidad del mismo
Cuando el alumno jala del hilo con solo un libro, la Fuerza y Trabajo que aplica
es Menor, cuando lo jala del hilo con tres libros, la Fuerza y Trabajo que aplica
es Mayor.
Cuando se esparció la arena sobre el piso donde se deslizaron los libros, el
coeficiente de rozamiento cambió provocando Menor Fricción, haciendo que
se aplicara Menos Fuerza y por ende, Menos Trabajo.
Experimento 18
Rozamiento, coeficiente de fricción.
Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, a la fuerza entre dos
superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas
superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del
deslizamiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las
imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en contacto.
Cuando se coloca la tabla directamente sobre el papel cartoncillo, las dos
superficies son un poco lisas, el coeficiente de rozamiento es pequeño, por
eso el ángulo de inclinación no es grande, pero cuando se pone el bloque de
madera sobre la lija de agua, esta superficie rugosa hace que se incremente el
coeficiente de fricción, con este el rozamiento se incrementó y el ángulo de
inclinación necesita ser mayor para vencerlo, de igual manera con la lija de
madera.
Experimento 19
Poleas y Trabajo.
- 123 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
La polea es un dispositivo mecánico de tracción o elevación, formado por una
rueda (también denominada roldana) montada en un eje, con una cuerda que
rodea la circunferencia de la rueda.
Con una polea fija podemos subir algo desde el suelo, o bien realizar un mismo
trabajo pero con una fuerza aplicada menor.
Cuando el alumno levantó el peso de 0.5 Kg. con una sola Polea, la fuerza
aplicada fue igual al peso del objeto, cuando la levantó usando las 2 poleas la
fuerza se divide a la mitad (1/2), o sea que aplicó solo 0.25 Kg., y cuando usó
las tres poleas aplica solo una tercera parte de la Fuerza.
Experimento 20
Impulso y cantidad de movimiento.
El impulso y la cantidad de movimiento son dos conceptos bastante parecidos al
trabajo y la energía cinética, pero diferentes en aspectos muy sensibles. Además
son protagonistas de un par de leyes de conservación tan importantes como útiles.
Vamos con las definiciones. El impulso, I, es el producto entre una fuerza y el
intervalo de tiempo durante el que la fuerza actúa.
Se trata de un vector (ya que el producto entre un vector -la fuerza- y un escalar el tiempo- da por resultado un vector). Una de las cualidades más importantes de
los impulsos es su carácter vectorial: tienen módulo, dirección y sentido.
Siempre que aparezca un impulso será inteligente preguntarnos hacia dónde
apunta. Las unidades para medir los impulsos serán las que surgen del producto
entre las de fuerza y las de tiempo.
La cantidad de movimiento, p, es el producto entre la masa de un cuerpo y su
velocidad. También se trata de un vector, también siempre apunta hacia algún
lado.
Cuando la canica rueda entre los polines y golpea al conjunto de siete canicas, la
última de estas sale disparada, con la misma dirección, sentido y velocidad
(impulso) que golpeó la primera, la cantidad de movimiento dependerá del
fuerza con que golpeó esta (masa y velocidad) y en la misma dirección.
Experimento 21
Aceleración, fuerza y masa.
En el paso 5, el carro empieza a moverse hasta que la cantidad de arena (masa)
supera el peso del carrito, ejerciendo entonces la fuerza suficiente para romper la
inercia.
- 124 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
En los demás casos, la velocidad y aceleración del carrito se incrementa
conforme se coloca más peso (masa), haciendo que recorra la misma
distancia en menor tiempo.
- 125 -
Experimentos de Temas Selectos de Física I
Créditos
Osvaldo Pérez Pérez
Director General de Telebachillerato
Rosa Edith Ferrer Palacios
Subdirectora Técnica
Julián De la Rosa Martínez
Subdirector de Evaluación y Supervisión Escolar
Arlethe del Rosario Ibáñez Salcedo
Jefa del Departamento Técnico Pedagógico
Diana Karely Ortíz Olivas
Jefa de la Oficina de Planeación Educativa
Juana Isabel Bautista Ovando
Jefa de la Oficina de Desarrollo Educativo
Oliver Zamudio Palacios
Elaboración del Manual
- 126 -