El medio natural I. FÍSica, química y su didáctica






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fecha de publicación22.12.2015
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EL MEDIO NATURAL I. FÍSICA, QUÍMICA Y SU DIDÁCTICA

  • Los motoristas se inclinan en las curvas

REALIZADO POR:

NURIA FERNÁNDEZ RIVERA

BEATRIZ FERNÁNDEZ BURGUILLO

3º B EDUCACIÓN PRIMARIA

ÍNDICE TEMÁTICO
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………3

CONDUCCIÓN EN LÍNEA RECTA ……………………………………………………………………………………4

CONDUCCIÓN EN CURVAS……………………………………………………………………………………………4

FUERZAS QUE INTERVIENEN EN LA TOMA DE CURVAS Y EFECTO……………………………….4

FUERZA CENTRÍFUGA………………………………………………………………………………………………….4

FUERZA CENTRÍPETA…………………………………………………………………………………………………….7
EQUILIBRIO ENTRE FUERZA CENTRÍFUGA Y CENTRÍPETA……………………………………………..8
FUERZA DE ROZAMIENTO………………………………………………………………………………………………………..9
PERALTES EN LAS CURVAS…………………………………………………………………………………………10
PUNTO DE TANGENCIA………………………………………………………………………………………………10
CONCLUSIÓN……………………………………………………………………………………………………………..10
WEBGRAFÍA Y BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………12

INTRODUCCIÓN

Observamos a menudo en una carrera de motos, que éstas, al tomar la curva se inclinan para girar en ella. Es más, el motorista con sólo inclinarse ya toma la curva sin necesidad de girar el manillar. Sin embargo, esto sólo ocurre cuando las ruedas de la moto giran a gran velocidad: si la moto fuera lenta, o estuviera en reposo, al inclinarse, se caerían al suelo moto y motorista. Pues bien, esto es el fundamento del giroscopio, que es una de los objetos más complicados de describir en Mecánica Clásica.

El siguiente trabajo va a consistir en suponer a partir del ejemplo de la moto, que las fuerzas son vectores y que se suman vectorialmente. Dicha moto, es un sistema inercial y sólo se hacen intervenir las fuerzas que "siente" el motorista, que son el peso y la fuerza centrífuga. La fuerza centrífuga en realidad no existe aunque el motorista la sienta, la que en realidad existirá es la centrípeta.

A continuación se explicará más detalladamente la idea anterior.

CONDUCCIÓN EN LÍNEA RECTA

Cuando una moto va circulando por una carretera, hay una serie de fuerzas que actúan sobre el centro de gravedad del sistema formado por la moto y el motorista. La suma de estas fuerzas da una resultante, que debe apuntar hacia un punto dentro de la base de la moto para que ésta no se caiga (la base de la moto es el segmento que hay entre los puntos de contacto de las dos ruedas con el suelo). Cuando la moto va en línea recta a velocidad constante sólo actúa sobre ella la fuerza de gravedad (mg), que se localiza en el centro de la motocicleta y actúa directamente sobre las ruedas que están en contacto con la calzada, por lo que en ese caso la moto se ha de mantener vertical.

CONDUCCIÓN EN CURVAS

Cuando vemos una carrera de motos observamos que el motorista toma las curvas sin necesidad de mover el manillar, sino desplazando el centro de gravedad, al mover voluntariamente su cuerpo hacia la dirección de la curva. En ese momento actúan las siguientes fuerzas o factores sobre la motocicleta y sobre el conductor:

  • La Fuerza centrífuga. Nos empujará a seguir en línea recta, es decir, hacia el exterior de la curva.

  • La Fuerza centrípeta. Contrarresta a la centrífuga y se favorece con el manejo de la motocicleta.

  • La masa del conjunto formado por la motocicleta y los ocupantes. Su disposición e inclinación influyen decisivamente.

  • La velocidad.

  • La adherencia de los neumáticos al pavimento, y la fuerza de rozamiento de estos.

FUERZAS QUE INTERVIENEN EN LA TOMA DE CURVAS Y EFECTO.

Al tomar las curvas los motoristas han de tener en cuenta sobre todo la fuerza centrífuga y la centrípeta, aunque también acontecen otras junto a éstas.

FUERZA CENTRÍFUGA.

La fuerza centrífuga es una fuerza ficticia que “aparece” para un observador que usa un marco de referencia en rotación para describir el movimiento. En cambio, un observador en un marco de referencia inercial no percibe ninguna fuerza centrífuga, mientras que si ve una fuerza real llamada fuerza centrípeta que es la que obliga a un móvil a curvar su trayectoria en la dirección de dicha fuerza. El problema reside en que en un sistema de referencia en rotación la fuerza centrífuga (ficticia) intuida por un observador en reposo en dicho referencial coincide en magnitud – pero en dirección contraria – con la fuerza centrípeta (real) necesaria para mantener un cuerpo en reposo en tal sistema de referencia en rotación.

Tampoco la fuerza centrípeta debe confundirse con la denominada fuerza central. La fuerza central es una fuerza real que actúa sobre un cuerpo y que cumple con dos condiciones:

  1. Su magnitud depende sólo de la distancia del cuerpo a un punto que se denomina centro de fuerzas.

  2. Su línea de acción pasa por el citado centro de fuerzas.

Ejemplos de fuerzas centrales son la fuerza gravitatoria y la fuerza electrostática. Frecuentemente, la fuerza centrípeta es una fuerza central.

Sin embargo, el calificativo de “centrifuga” significa que “huye del centro”. En efecto, un observador no inercial situado sobre una plataforma giratoria siente que existe unas “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 definitiva, dicho de un modo menos técnico, la fuerza centrífuga es sentida por el motorista, pero realmente, no existe en sí.

Esta fuerza es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad y dividido por el radio de la curva. La suma de la fuerza de gravedad, que es vertical y apunta hacia el suelo y la centrífuga, que es horizontal y apunta hacia el exterior de la curva da una resultante, que está inclinada respecto del suelo, los motoristas se inclinan en las curvas para que la resultante apunte hacia la base de la moto. Cuanto mayor es la fuerza centrífuga más hay que inclinarse. La fuerza centrífuga puede llegar a ser muy grande cuando se toma una curva muy cerradas (con poco radio) a alta velocidad, esta circunstancia se suele dar en las carreras de competición, por eso los motoristas de competición llegan a tocar el suelo con su inclinación.

La fuerza centrífuga depende de:

  • La masa del conjunto ocupantes-motocicleta. Cuando aumenta la masa, aumenta también la fuerza centrífuga.

  • La velocidad. Este factor influye en gran medida. Aumenta en forma exponencial, si la velocidad aumenta al doble, la fuerza centrífuga aumenta cuatro veces.

  • El radio de la curva. En este caso es al revés. Cuanto menos es el radio de la curva (más cerrada), mayor es la fuerza centrífuga.

La fuerza centrífuga se debe neutralizar adecuadamente mediante la reducción de la velocidad y la inclinación de la motocicleta. Esta inclinación estará condicionada por la relación existente entre fuerza centrífuga y peso:

  • La velocidad. A mayor velocidad, se necesitará mayor inclinación para contrarrestar la fuerza centrífuga.

  • El radio de la curva. Ya hemos visto que cuanto más cerrada sea la curva, mayor será la fuerza centrífuga.

  • La anchura de los neumáticos. Cuanto más ancho sea el neumático, mayor superficie de apoyo permite, y por tanto mayor inclinación.

  • La colocación del conductor encima de la moto según la técnica de conducción empleada. La disposición del motorista, incluso saliéndose del asiento, permite el mismo efecto sin inclinar tanto la moto.


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.

El término “centrípeta” proviene de las palabras latinas centrum, “centro” y petere, “dirigirse hacia”, y puede ser obtenida a partir de las leyes de Newton. La fuerza centrípeta siempre actúa en forma perpendicular a la dirección del movimiento del cuerpo sobre el cual se aplica. En el caso de un objeto que se mueve en trayectoria circular con velocidad cambiante, la fuerza neta sobre el cuerpo puede ser descompuesta en un componente perpendicular que cambia la dirección del movimiento y uno tangencia, paralelo a la velocidad, que modifica el módulo de la velocidad.

Los objetos con movimiento rectilíneo uniforme tienen una velocidad constante; pero un objeto que se mueva sobre una trayectoria circular con velocidad constante experimenta continuamente un cambio en la dirección de su movimiento, esto es, en la dirección de la velocidad. Puesto que la velocidad cambia, existe una aceleración. La magnitud de este cambio de dirección de la velocidad por unidad de tiempo es la aceleración centrípeta, representada por un vector dirigido hacia el centro de la circunferencia.

Según la segunda ley de Newton, para que se produzca una aceleración debe actuar una fuerza en la dirección de esa aceleración. Así, si consideramos una partícula de masa “m” en movimiento circular uniforme, estará sometida a una fuerza centrípeta.

Por ejemplo, si atamos una pelota con una cuerda y la hacemos girar en círculo a velocidad angular constante. La pelota se mueve en una trayectoria circular porque la cuerda ejerce sobre ella una fuerza centrípeta.

Por lo tanto, la velocidad de un cuerpo, en módulo, dirección y sentido, permanece constante de acuerdo con la primera ley de Newton (ley de la inercia) si no actúa ninguna fuerza sobre él o la resultante de todas las fuerzas que actúan es cero. Las circunstancias de un movimiento circular son diferentes. En este caso debe haber una fuerza, que será la fuerza centrípeta, dirigida hacia el eje de rotación. Un tiovivo es un modelo sencillo que muestra esta fuerza.

En definitiva, dicho de un modo menos técnico, es la fuerza que el conductor debe mantener al mando de la motocicleta, inclinando la misma junto con el cuerpo y el manillar para favorecer la trayectoria del vehículo.

Sería la masa del conjunto hombre-máquina representada por el peso (P): Fuerza relacionada con el peso del conjunto hombre-vehículo.

EQUILIBRIO ENTRE FUERZA CENTRÍFUGA Y CENTRÍPETA.

Ambas fuerzas configuran la fuerza que permite describir al vehículo la trayectoria que el conductor desee, y que aumente o disminuye, modificando durante la marcha o toma de curva el centro de gravedad, todo por supuesto, dentro de los límites de adherencia del neumático.

Del equilibrio de ambas fuerzas depende la trayectoria correcta de la motocicleta.

A partir de una cierta inclinación los neumáticos no podrán asegurar la adherencia, apareciendo el derrapaje y también lo más frecuente, la caída.

El medio más eficaz para evitar este riesgo es aminorar la velocidad antes de entrar en la curva, con el fin de adaptar la velocidad al radio de la misma.

Con las dos fuerzas, dependiendo una de otra, se puede explicar que:

  • Cuanto mayor es la adherencia, mayor podrá ser la fuerza de frenado y menor podrá ser la inclinación.

  • Cuanto mayor es la inclinación, menor será la adherencia y la fuerza de frenado.

  • Cuando se ha alcanzado la mayor inclinación posible, es cuando menor es la adherencia y no será recomendable hacer uso del freno.

FUERZA DE ROZAMIENTO.

Hay una tercera fuerza que es la de rozamiento de las ruedas con el suelo. Sin esa fuerza sólo se podría circular en línea recta, por eso es complicado tomar una curva cuando en el suelo hay hielo, aceite o grava (en estos casos la fuerza de rozamiento es muy pequeña).

Además del propio peso del neumático (o carga), dirigida verticalmente hacia abajo, aparecen dos nuevas fuerzas. La fuerza normal, N, vertical, aplicada sobre neumático-asfalto y dirigida hacia arriba que ejerce el asfalto sobre el neumático (si no apareciera, el neumático se hundiría indefinidamente hacia abajo), una fuerza FR, que denominamos fuerza de rozamiento entre el neumático y el asfalto, horizontal, dirigida hacia la derecha y que está aplicada en la interfase de contacto neumático-asfalto. Es importante entender que la fuerza de rozamiento aparece debido a que la fuerza F (la fuerza F es la fuerza centrífuga que tiende a mover el neumático hacia el exterior de la curva) está tratando de desplazar el cuerpo hacia la izquierda.

La fuerza de rozamiento es directamente proporcional al valor de la fuerza normal (N) que aparece entre el neumático y el asfalto.

PERALTES EN LAS CURVAS.

Los peraltes de las curvas aumentan la tracción, ya que el ángulo de inclinación efectivo es menor, permitiendo mayor velocidad. Si es una curva contraperaltada sucede todo lo contrario, produciéndose con facilidad el derrape o la salida de la vía.

PUNTO DE TANGENCIA

El punto de tangencia es el lugar geométrico de una curva donde el conductor puede comenzar a trazar una trayectoria más rectilínea para salir de la misma. La trazada hasta el punto de tangencia desde el inicio de la curva también es el más “rectilíneo” posible.

Este punto permite trazar las curvas a mayor velocidad, y con mayor seguridad ya que aumenta el radio de la curva trazada y disminuye la fuerza centrífuga.

CONCLUSIÓN

Tras aclarar lo anterior, podemos conocer claramente el por qué los motoristas se inclinan en las curvas. En la dinámica de los movimientos circulares hemos visto que cuando un objeto describe un movimiento circular sobre él ha de actuar una fuerza centrípeta que le obligue a describir la curva. Ésta venía dada por la aceleración normal a la trayectoria de la curva, que era constante en el caso de un movimiento circular uniforme (MCU) y variable en el caso de un movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA). De no ser así, como consecuencia del principio de inercia, continuaría moviéndose en la dirección de la velocidad y de la aceleración tangente, es decir, en línea recta. Según el principio de acción y reacción, donde toda fuerza tiene una opuesta porque funcionan a pares, se deduce que el objeto ejercerá otra fuerza igual y contraria sobre quien le aplica la fuerza centrípeta. A esta fuerza es a la que denominamos fuerza centrífuga, como bien hemos explicado, y tiene el mismo valor que su pareja y el sentido opuesto, es decir, radial hacia afuera.

Por ejemplo, si observamos un lanzador de martillo, podemos ver cómo echa su cuerpo hacia atrás cuando lo voltea. De este modo evita caerse al suelo debido a la fuerza centrífuga que actúa sobre él.

Refiriéndonos específicamente en la temática de este trabajo, cuando un vehículo toma una curva, podemos imaginar que sobre él actúan dos fuerzas: su peso y la fuerza centrífuga, dando una resultante que será más inclinada cuanto mayor sea la velocidad del vehículo y menor el radio de la curva. Ese es el efecto que sentimos al viajar en coche cuando tomamos una curva muy rápido y sentimos que el lateral del coche en el exterior del giro se eleva un poco. Para evitar que el vehículo patine o vuelque es necesario que esa fuerza resultante no se salga de la base de sustentación y que, a ser posible, sea perpendicular a la carretera para que sea anulada por la reacción del apoyo del vehículo sobre el suelo.

En realidad, hemos visto, que la explicación también implica a las fuerzas de rozamiento, y con ello, depende de la peraltada de la calzada.

Estas fuerzas influyen también en otros vehículos como camiones, y es por estas por lo que los camiones vuelcan, pierden su carga, etc.

WEBGRAFÍA Y BIBLIOGRAFÍA

http://www.youtube.com/watch?v=qv_O1Cz7pwo

http://www.autoescuelasasociadas.org/Permisos/PermisoA1/1013.htm

http://www.unirioja.es/dptos/dq/fa/rincon/giros/giros.pdf

http://www.doredin.mec.es/documentos/00820073007327.pdf

http://www.smf.mx/boletin/2005/Oct-05/Diverticiencia.html

http://fq-experimentos.blogspot.com.es/2011/07/176-fuerza-centrifuga-con-dos-bolas.html

http://bacterio.uc3m.es/docencia/laboratorio/guiones_esp/mecanica/F_centrifuga_guion.pdf

PEÑA SAINZ, A. Y GARCÍA PÉREZ, J.A. (2007). Física. Editorial Mc. Graw Hill.

PONS EDITORIAL, S.L. (2007). Manual de Aprendizaje.

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