Competencia: Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y a la masa




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títuloCompetencia: Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y a la masa
fecha de publicación12.01.2016
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Fecha: Agosto 29, septiembre 5, 19, octubre 17, 31, Noviembre 14

Propósito: Establecer relaciones entre las interacciones entre los cuerpos y los cambios en su estado de movimiento

Competencia: Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y a la masa.

Estándar: Modelo matemáticamente el movimiento de objetos cotidianos a partir de las fuerzas que actúan sobre ellos.

Tema: Leyes de la dinámica

Indicadores de desempeño:

  • Describe el movimiento de un cuerpo cuando sobre él actúa una fuerza constante.

  • Usa las leyes de Newton para explicar el movimiento de los cuerpos.

  • Identifica las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en reposo o en movimiento.

  • Soluciona problemas cuando hay interacciones entre cuerpos, aplicando las leyes de Newton.

  • Utiliza las matemáticas como herramienta de la física.

  • Realiza con interés las actividades propuestas en clase para apropiarse de los temas y solucionar dudas.

Momento para Comprender

Responda las siguientes preguntas

¿Qué se debe hacer para que un cuerpo comience a moverse?

¿Es necesario ejecutar alguna acción para que un cuerpo continúe su movimiento?

¿Qué se debe hacer para que un cuerpo deje de moverse?

Cuando se empuja una caja por una superficie uniforme, al cabo de un tiempo se detiene, ¿por qué creen que ocurre esto?

Dibujar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo que es lanzado verticalmente hacia arriba en dada uno de los siguientes casos:

-Cuando sube

-En el punto más alto

-Cuando baja.

Los antiguos sabios griegos que se preocuparon por estudiar el movimiento y sus causas pensaban que el estado natural de los cuerpos era el reposo. Para sacarlos de este estado, es decir, para que un cuerpo se moviera, era necesario ejercer una fuerza sobre dicho cuerpo y si ésta se deja de aplicar, inmediatamente cesaba el movimiento del cuerpo volviendo a su estado natural: “el reposo”

El italiano Galileo Galilei estaba de acuerdo con que para iniciar el movimiento de un cuerpo era necesaria una fuerza, pero una vez que dicho cuerpo estuviera en movimiento éste continuaría moviéndose indefinidamente, con velocidad constante, hasta que se ejecutara una nueva acción que pusiera fin a dicho movimiento.

Con cuál de los dos enunciados se identifican

¿Por qué hay que pedalear más fuerte para empezar a mover una bicicleta que para mantenerlas en movimiento constante?

Momento para Aprender

La fuerza se puede relacionar con una acción que ejerce un cuerpo sobre otro. Sin embargo, la fuerza no está en los objetos en sí, no es algo que se posee. Las fuerzas se ejercen, aparecen como resultado de una interacción entre dos cuerpos y siempre se presentan por pares: cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, de forma simultánea el B ejerce la misma fuerza sobre el A, pero en sentido contrario.

Las fuerzas pueden causar deformación sobre los objetos o cambiar su estado de movimiento, es decir, aumentar o disminuir su rapidez o cambiar la dirección del movimiento. Una fuerza es toda acción que puede variar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o bien, producir deformación sobre él.

Todo lo que nos rodea está afectado por alguna fuerza. Por ejemplo, la fuerza de la gravedad actúa en todo instante sobre nuestro cuerpo, sobre nuestros objetos personales, sobre todo lo que está a nuestro alrededor.

Es importante identificar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. En ocasiones, las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se contrarrestan entre sí, dando la impresión de no estar presentes. En estos casos se dice que las fuerzas se anulan entre sí.

Al igual que el desplazamiento, la velocidad y la aceleración, las fuerzas son vectores (tienen además de magnitud, dirección y sentido). Por esta razón, se pueden sumar. A la suma de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se le llama fuerza neta.

Las fuerzas se clasifican en dos grupos:

Fuerzas de Contacto, cuando existe contacto directo entre el cuerpo que produce la fuerza y el cuerpo sobre el que se aplica.

Fuerzas de acción a distancia, no existe contacto directo entre el cuerpo que ejerce la fuerza y el cuerpo sobre el cual se aplica. La atracción producida por la tierra sobre un cuerpo cualquiera, es una fuerza de acción a distancia.

En la búsqueda por encontrar una única fuerza que explique todas las interacciones que ocurren en la naturaleza, se han encontrado cuatro fuerzas fundamentales. Dichas fuerzas explican los fenómenos que no pueden ser atribuidos a otras fuerzas. En la actualidad se consideran como fuerzas fundamentales: la fuerza gravitacional, la fuerza electro-magnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

La fuerza gravitacional es la fuerza de atracción que se ejercen mutuamente dos objetos y que afecta a todos los cuerpos. Newton fue el primero en plantear que debido a la fuerza gravitacional los objetos en las cercanías de la Tierra caen con aceleración constante hacia esta y, además, esta fuerza mantiene en movimiento a los planetas alrededor del Sol.

La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados. Por ejemplo, un electrón cuya carga eléctrica es negativa ejerce fuerza eléctrica de atracción sobre un protón cuya carga es positiva.

La fuerza nuclear fuerte es la fuerza que mantiene unidos los protones con los neutrones para formar los núcleos atómicos. Sin esta fuerza el núcleo no podría existir, ya que la repulsión entre los protones generaría la dispersión de estos.

La fuerza nuclear débil actúa entre partículas elementales. Esta fuerza es la responsable de algunas reacciones nucleares y de una desintegración radiactiva denominada desintegración beta. La vida media del Sol está determinada por las características de esta fuerza.

Medición de las fuerzas - Ley de Hooke

Para determinar la intensidad de una fuerza aplicada sobre un cuerpo, se utiliza un instrumento denominado dinamómetro, que consiste en un resorte graduado que al deformarse permite medir el valor de dicha fuerza.

El funcionamiento de un dinamómetro, se basa en las propiedades elásticas que tienen algunos materiales. Por ejemplo, si se cuelgan sucesivamente varias pesas del extremo libre de un resorte, se obtienen diferentes variaciones de su longitud con respecto a la longitud natural del resorte.

explicación del dinamómetro casero

Al calcular el cociente entre cada fuerza aplicada y el respectivo alargamiento del resorte, se observa que el valor obtenido es constante.

La fuerza F, es directamente proporcional con el alargamiento, x, del resorte. Esta relación se expresa como:

F = k x donde k recibe el nombre de constante elástica del resorte.

La longitud de la deformación producida por una fuerza es proporcional a la intensidad de dicha fuerza.

Esta ley publicada por el físico inglés Robert Hooke en el siglo XVII, se conoce como Ley de Hooke.

FUERZAS COMUNES

  • Peso. La tierra ejerce atracción gravitacional sobre los objetos que se encuentran a su alrededor. La fuerza de atracción que aplica la tierra sobre un cuerpo se denomina peso de ese cuerpo, se representa por una recta que sale del cuero y se dirige al centro de la tierra, se calcula como: P = m g

  • Fuerza Normal (FN). Un cuerpo situado sobre una superficie experimenta una fuerza ejercida por ésta, denominada fuerza normal y es perpendicular a la superficie que la ejerce.

Cuando el plano sobre el cual está situado el cuerpo es horizontal, la normal es opuesta al peso, pero no ocurre así cuando el plano es inclinado.

http://4.bp.blogspot.com/-jbh5k9_bu-q/ubjrjfmxyii/aaaaaaaaava/jcggtecowvs/s1600/normal.jpg

  • Fuerza de Rozamiento. Cuando un cuerpo se desplaza sobre una superficie o sobre otro cuerpo, experimenta una fuerza en sentido opuesto a su movimiento, dicha fuerza es ejercida por la superficie de contacto y se denomina fuerza de rozamiento o fricción (Fr)

Este fenómeno se debe a que las superficies de contacto no son perfectamente lisas, sino que presentan rugosidades que encajan aleatoriamente entre sí, produciendo esta fuerza que se opone al movimiento.

Aunque el rozamiento disminuye notablemente el rendimiento de ciertos mecanismos como el de los pistones de un motor, en algunas ocasiones es útil pues si no existiera la fricción varios sistemas no funcionarían, como, por ejemplo, los frenos de los automóviles.

http://www.monografias.com/trabajos89/fuerzas-desarrolladas-frenado-vehiculos-dinamica/image005.jpg

La fuerza de rozamiento se calcula como:

Fr = µ FN

  • La Tensión (T). La fuerza que se transmite por medio de una cuerda recibe el nombre de tensión. La dirección de la cuerda determina la dirección de la tensión.

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Las unidades de la fuerza

En el Sistema Internacional de Unidades la fuerza se mide en Newton (N). Un newton equivale a la medida de la fuerza que se debe ejercer sobre un kilogramo de masa, para ocasionar una aceleración de 1 m/s2 en la Tierra.

Sistemas de Referencia

Sabemos que el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento. Así, para un pasajero de un tren, un pasajero viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el pasajero se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.

Así por ejemplo, si un avión disminuye su velocidad o toma una curva, el piloto siente la tendencia a moverse hacia delante o hacia un lado, respectivamente. En ambos casos el piloto ve modificado su estado de reposo sin que aparentemente se haya ejercido sobre él una fuerza externa que explique el fenómeno. Desde la interpretación del piloto, debe actuar una fuerza y de hecho parece experimentarla.

Mientras el piloto del avión tiene la impresión de haber sido empujado, hacia delante o hacia un lado, respectivamente sin que pueda identificar el agente que le ejerce la fuerza externa, un observador externo al avión, situado en Tierra realiza una descripción diferente. Para dicho observador, el piloto describe un movimiento rectilíneo uniforme mientras no actúan fuerzas externas sobre él.

El observador externo se encuentra en un sistema de referencia diferente al sistema de referencia del avión, el sistema de referencia del observador externo es un sistema de referencia inercial.

Los cuerpos tienen la tendencia a conservar su estado de movimiento o de reposo: un cuerpo en reposo parece oponer resistencia a ponerse en movimiento y un cuerpo en movimiento opone resistencia a detenerse. Esta tendencia a no cambiar su estado de movimiento se conoce con el nombre de Ley de inercia.

Segunda Ley de Newton

Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza constante, este experimenta cambios de velocidad iguales en tiempos iguales. Una fuerza neta constante produce una aceleración constante. Cuando cambia el valor de la fuerza neta aplicada sobre el objeto, la aceleración también cambia.

La segunda ley de Newton, también llamada ley fundamental de la dinámica, establece una relación entre la fuerza neta que se aplica a un cuerpo y la aceleración que éste adquiere. La aceleración a de cualquier partícula tiene en todo momento la misma dirección y el mismo sentido de la fuerza neta. Además = constante, esta constante es la masa del cuerpo

En consecuencia la fuerza neta se puede expresar como:

= m a

Esta expresión se constituye en la ley fundamental de la dinámica conocida como la segunda ley de Newton la cual se expresa como: La fuerza neta que se ejerce sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que dicha fuerza produce, donde la constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo.

Cuando sobre dos cuerpos se les aplica la misma fuerza, el de menor masa experimenta mayor aceleración. Esto significa que la masa es una medida de la inercia de un cuerpo, es decir, de la resistencia que dicho cuerpo opone a la variación de su estado de reposo o de movimiento. Para una fuerza neta dada, cuanto mayor es la masa del cuerpo sobre el cual se aplica, menor es la aceleración que produce sobre él

Ejemplos:

Un automóvil cuya masa es 1.000 kg se mueve inicialmente con velocidad de 54 km/h y se detiene después de 10 segundos de avanzar por una vía recta. Determinar la fuerza neta que actúa sobre él.

Solución:

Para determinar la fuerza neta, primero se expresa la velocidad en m/s, para lo cual se tiene

= 15m/s

Si el automóvil frena con aceleración constante, podemos determinar el valor de dicha aceleración a partir de la expresión:



La velocidad final es cero, luego a= = -1.5m/s2

La fuerza neta se calcula mediante la ecuación

Fneta = m a

Fneta = 1000kg (-1.5m/s2) = - 1500 N

El signo menos indica que la fuerza actúa en dirección contraria al movimiento y, en consecuencia, la velocidad del automóvil disminuye, pues la velocidad inicial era 15 m/s y la velocidad final, 0 m/s.

Un objeto de 10,0 kg de masa se encuentra sus-pendido del techo de un ascensor por medio de un dinamómetro. Determinar la lectura del dinamómetro (esta es la fuerza que él ejerce sobre el cuerpo) si:

a. El ascensor asciende con aceleración de 2 m/s2

b. El ascensor desciende con aceleración de 2 m/s2

Solución:

a. Las fuerzas que actúan sobre el objeto son la tensión dirigida hacia arriba y el peso

Si el ascensor sube con aceleración constante de 2 m/s2, la fuerza neta se expresa como:

Fneta = ma = 10kg 2m/s2 = 20N

El peso del objeto es P = m g = 10kg 9.8m/s2 = 98N

Fneta= T – P

Despejando T = 20N + 98N = 118N

Cuando el ascensor acelera hacia arriba, aparentemente el objeto pesa 118N

Para el numeral b, si el ascensor baja la fuerza neta se expresa como

Fneta= 10kg (-2m/s2) = -20N

El peso del objeto es el mismo, por lo tanto

T = -20N + 98N = 78N

Esto muestra que cuando el ascensor acelera hacia abajo, aparentemente el objeto pesa 78 N.

Si al intentar mover un vehículo, empujándolo, este permanece inmóvil, se puede afirmar que la aceleración del vehículo es igual a cero, debido a que la suma de las fuerzas que actúan sobre él es igual a cero.

La fuerza, F, que se ejerce sobre él se equilibra con la fuerza de rozamiento, Fr, puesto que el objeto permanece inmóvil. A este tipo de rozamiento se le denomina fuerza de rozamiento estático.

Si dos personas empujan a la vez el vehículo, la fuerza aplicada es mayor y eventualmente puede lograr que el vehículo se ponga en movimiento. El valor de la fuerza de rozamiento estático alcanza un valor máximo que se conoce como fuerza de rozamiento estático máxima, siendo este el valor alcanzado en el momento en que el automóvil empieza a moverse.

Una vez que la fuerza aplicada sobre un objeto supera en intensidad a la fuerza de rozamiento estático, el objeto se mueve. Cuando el objeto se encuentra en movimiento, la fuerza de rozamiento es menor que la fuerza de rozamiento estático máxima.

Sobre una caja de masa 8,0 kg se aplica una fuerza de 80,0 N que forma con la horizontal un ángulo de 30° y este se desliza sobre una superficie plana. El coeficiente de rozamiento cinético entre el bloque y la superficie es de 0,20.

Determinar la aceleración con la cual se mueve el objeto.


F


Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son las siguientes

FN

Fx

FR

P

Fy

Las fuerzas Fx y Fy son las componentes horizontal y vertical de la fuerza aplicada

∑ Fx = Fx – FR = m a

∑ Fy = FN – Fy – P = 0

De las sumatoria de fuerzas en la dirección vertical se tiene:

FN = F sen30º + m g = 80N (0.5) + 8kg (9.8 m/s2) = 118.4N

Luego FR = 118.4N (0.2) = 23.68N

80N (0.87) – 23.68 = 8Kg a

45.92N / 8Kg = 5.74m/s2 = a

Momento para Aplicar

En equipos conseguir los materiales para construir un dinamómetro, además de objetos que al colgarlos del resorte permitan medir la deformación del mismo. Con los datos obtenidos llenar la siguiente tabla

Objeto

Masa(kg)

Peso(N)

x(m)





























































x:deformación del resorte

Luego ubicar los resultados en un diagrama x contra peso, para determinar la constante del resorte

c:\users\pc\documents\resorte.png

Resolver los siguientes problemas:

  1. Una caja se encuentra sobre la superficie de una mesa. ¿Qué ocurre con el valor de la fuerza normal a medida que una persona va inclinando la mesa?

  2. Dibujar las fuerzas que actúan sobre un avión que vuela horizontalmente con el viento en contra

  3. Se lanza un objeto verticalmente desde el suelo hacia arriba. Considerando que no hay rozamiento con el aire, ¿cuál de los siguientes esquemas representa correctamente la fuerza o fuerzas que actúan sobre el objeto, en un punto cualquiera de su ascenso



  1. El cambio de velocidad de un objeto se debe a:

  1. Su masa

  2. Su volumen

  3. La fuerza neta que actúa

  4. Su aceleración constante

9. Dibujar las fuerzas para los tres momentos del movimiento de un paracaidista

-Inicialmente su movimiento es aproximadamente de caída libre

-Una vez abre el paracaídas

-En el último tramo el paracaidista desciende con velocidad constante

Para reforzar los temas, observaron los videos:

Leyes de Newton

https://www.youtube.com/watch?v=5oIEL2IFL0E

https://www.youtube.com/watch?v=q8qKMLyTxpM

Experimento ley de inercia

https://www.youtube.com/watch?v=EJD9QL10vXw

Fuerza de rozamiento

https://www.youtube.com/watch?v=AsjuDEg8l8s

Segunda ley de newton

https://www.youtube.com/watch?v=Huj224SKR1E

Evaluación

Además de tener en cuenta el desempeño de los estudiantes durante las actividades de clase, se propone la siguiente evaluación

  1. Ana, que ha estudiado Física en la escuela, observa que su vecino intenta, con poco éxito, desplazar una pesada caja (de dimensiones del orden del metro) sobre un piso de tierra, empujándola (sin agacharse demasiado), y le aconseja que en lugar de empujarla, tire de la caja hacia delante. ¿Seguiría usted el consejo de Ana? ¿Por qué?

  2. Aplicando las leyes de Newton, explique ¿Por qué un arquero que ataja un penal de un “tiro violento” es arrojado hacia atrás?

  3. Una mujer sostiene un objeto en una de sus manos, la fuerza de reacción al peso de la bola es:

  1. La fuerza normal que el piso ejerce sobre los pies de la mujer.

  2. La fuerza normal que la mano de la mujer ejerce sobre el objeto.

  3. La fuerza normal que el objeto ejerce sobre la mano de la mujer.

  4. La fuerza gravitacional que el objeto ejerce sobre la Tierra.

  1. Dos masas idénticas, m, son conectadas a una cuerda sin masa que pasa por poleas sin fricción, como se muestra en la figura. Si el sistema se encuentra en reposo, ¿cuál es la tensión en la cuerda?

  1. Menor que mg

  2. Exactamente mg

  3. Mayor que mg pero menor que 2mg

  4. Exactamente 2mg

  5. Mayor que 2mg

Bibliografía

http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1184

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html

Bautista Ballén Mauricio y otros. Física I, Editorial Santillana S. A. Bogotá 2005

http://neuro.qi.fcen.uba.ar/ricuti/No_me_salen/DINAMICA/index_din_est.html

Septiembre 12 convivencia educadores

Septiembre 26 encuentro con los números

Octubre 3, acto cívico

Octubre 24, juegos

Noviembre 7, semana de la juventud

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