Title: Unidad 1
Course: Física Plus + 2 BGU

Estática

▲ Posición de equilibrio.

El concepto de equilibrio se aplica en el tipo de vida que llevamos, en nuestra alimentación y en nuestra forma de relacionarnos con los demás. En esta unidad estudiaremos el equilibrio desde el punto de vista de la física, su importancia en la cotidianidad, y las leyes que lo rigen. La estática (rama de la mecánica) estudia a los cuerpos en equilibrio, es decir, con velocidad constante o en reposo.

Este estudio es muy importante sobre todo para el desarrollo de cuerpos que necesitan mantener su posición (por ejemplo, los edificios, los puentes, las grúas).

En la foto, podemos ver una roca saliente y un joven en posición de equilibrio.

   Objetivos

1. O.CN.F.5. Describir los fenómenos que aparecen en la naturaleza, analizando las características más relevantes y las magnitudes que intervienen y progresar en el dominio de los conocimientos de física, de menor a mayor profundidad, para aplicarlas a las necesidades y potencialidades de nuestro país.
2. O.CN.F.9. Diseñar y construir dispositivos y aparatos que permitan comprobar y demostrar leyes físicas, aplicando los conceptos adquiridos a partir de las destrezas con criterios de desempeño.

   La física y las profesiones

Ingeniería Naval

La Ingeniería Naval se encarga del diseño, propulsión y construcción de estructuras y transporte marítimo.

La ingeniera o el ingeniero naval tienen habilidades para el análisis e interpretación de datos, lo que les permite realizar diseños integrados dentro de la ingeniería.

Gracias a la física, los diseños realizados por los ingenieros navales pueden ser más eficientes, controlando así que los navíos, buques y otros medios de transporte naval sean seguros para su uso y se mantengan a flote. El objetivo es ofrecer un medio que transporte materiales
y personas de manera cómoda y económica.

La Ingeniería Naval también se encarga, en parte, de la construcción de estructuras a nivel del mar (por ejemplo, de las plataformas y de los sistemas eólicos).

La carrera de Ingeniería Naval se puede estudiar en la Escuela Politécnica del Litoral (ESPOL) o en la Universidad Naval de Salinas.

En el siguiente enlace puedes encontrar más información: https://www.educaedu.com.ec/carrera/ingenieria-naval

Fuerzas fundamentales

CN.F.5.5.8. Explicar mediante la indagación científica la importancia de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitacional), en los fenómenos naturales y la vida cotidiana.

CN.F.5.1.20. Reconocer que la fuerza es una magnitud de naturaleza vectorial, mediante la explicación gráfica de situaciones reales para resolver problemas donde se observen objetos en equilibrio u objetos acelerados.

● Fuerzas fundamentales

Saberes previos

Cuando se practica un deporte que requiere el uso de una pelota y se dice "no lances la pelota con mucha fuerza", ¿a qué nos referimos con esta expresión?

Desequilibrio cognitivo

Las fuerzas fundamentales, tomando como ejemplo la fuerza nuclear fuerte, ¿tendrán el mismo efecto en cuerpos sólidos que en cuerpos en estado líquido?

Todos tenemos un concepto básico de lo que es “fuerza”, sobre todo si consideramos ciertos ejemplos cotidianos: cuando empujamos una silla, lanzamos un balón o rompemos una ventana. Quizás nos es más conocido aún el concepto “fuerza” cuando mamá o papá nos castigan por haber roto la ventana.

La fuerza es un vector que tiene dirección, magnitud y una unidad asociada. La fuerza es la interacción entre dos objetos, y tiene la capacidad de mantenerlos en reposo, darles movimiento, deformarlos o cambiar su estado.

El movimiento es un fenómeno producido por la interacción de fuerzas sobre un cuerpo. En el análisis del cuerpo en movimiento, encontramos dos tipos de fuerzas: externas e internas.

Las fuerzas internas al cuerpo son aquellas que mantienen unidas las partes del objeto como un todo.

▲ Aquí podemos ver una cuerda de polipropileno siendo halada de lado y lado.

▲ Figura 1.1. Estructura interna de polipropileno.

Si observamos la cuerda en su estructura interna, en cualquier punto (Figura 1.1.), nos damos cuenta de que existen fuerzas entre las moléculas y, más internamente, en las partículas que las componen (cohesión). La cuerda aguanta cierta fuerza sin romperse.

Dato Curioso

La teoría de unificación es aquella que enlaza a tres de las cuatro fuerzas fundamentales naturales.

El electromagnetismo es trasladado por fotones.

La fuerza fuerte es trasladada por partículas llamadas gluones.

▲  Figura 1.2. Interacción entre quarks en un protón.

La fuerza débil es trasladada por bosones W y Z.

La incógnita sigue siendo la partícula que traslada la gravedad, el supuesto gravitón. Los científicos no la han descubierto aún, y por eso no se ha llegado a un modelo matemático que unifique estas fuerzas.

Las fuerzas externas son interacciones ejercidas por otros cuerpos o el medio que rodea al objeto en análisis.

En el caso de la imagen, tenemos que las fuerzas externas que actúan sobre el carrito son: la fuerza con la que hala la mujer, el peso del carrito, el peso de la niña sentada sobre el carrito, la fuerza que ejerce el piso sobre las ruedas y el rozamiento entre las ruedas y el piso.

Las fuerzas como el rozamiento, la cohesión interna y el peso se agrupan en cuatro grupos de interacciones o de fuerzas fundamentales, las cuales son:

- gravitatoria,
- electromagnética,
- nuclear débil,
- nuclear fuerte.

TIC

En este enlace encontrarás una explicación breve y más precisa de la teoría de la unificación:

www.mayedu.ec/fis2/p17

La interacción depende de la naturaleza y de la disposición de los cuerpos en el medio ambiente (considerando que el medio ambiente son los objetos con los que puede interactuar el objeto estudiado).

La fuerza gravitacional es la más débil de las cuatro.

La fuerza electromagnética se caracteriza por ser tanto de repulsión como de atracción, dependiendo de la disposición de las cargas eléctricas de un cuerpo. Esta fuerza mantiene a los electrones orbitando alrededor del átomo. Además, la fuerza electromagnética permite formar moléculas por la interacción de los átomos.

La fuerza nuclear débil se caracteriza por ser la responsable de los fenómenos radioactivos (desintegración). Su nombre viene dado por la comparación con la fuerza nuclear fuerte, que es la encargada de mantener estable la estructura del núcleo (protones y neutrones en el interior del núcleo).

Diagrama de cuerpo libre

CN.F.5.1.20. Reconocer que la fuerza es una magnitud de naturaleza vectorial, mediante la explicación gráfica de situaciones reales para resolver problemas donde se observen objetos en equilibrio u objetos acelerados.

● Diagrama de cuerpo libre

Saberes previos

Cuando solicitamos ayuda sobre una dirección en un lugar desconocido, siempre pedimos un punto de referencia, algún lugar que nos resulte familiar, de tal forma que podamos ubicarnos. Para ti, ¿qué significa punto de referencia?

Desequilibrio cognitivo

Cuando decimos que una fuerza tiene magnitud, dirección y sentido, estamos hablando de un vector. ¿Eso quiere decir que a las fuerzas también las podemos descomponer en componente X y componente Y? ¿Podemos, entonces, realizar operaciones con fuerzas y obtener valores unitarios de dirección?

Tomemos el ejemplo presentado en la Figura 1.3.

▲ Figura 1.3.

Tenemos una caja en equilibrio, sometida a varias fuerzas.

Al analizar cada una de las fuerzas (Figura 1.3.) que se presentan sobre el objeto, determinamos que existen tres partes fundamentales que las componen: magnitud, dirección y unidad asociada.

▲ Figura 1.4.

Definimos como magnitud al valor que adquiere la fuerza acompañada con sus correspondientes unidad y dirección hacia donde apunta la saeta. Toda magnitud que posee estos tres componentes se denomina, en física, magnitud vectorial.

Una magnitud escalar, en cambio, es aquella que únicamente tiene un valor acompañado por su correspondiente unidad.

Para analizar el “estado” de un cuerpo, empleamos el diagrama de cuerpo libre.

Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica de un cuerpo y de todas las fuerzas externas que se encuentren actuando sobre él. Para empezar con el diagrama, debemos tomar en cuenta que:

- Al cuerpo que analizaremos lo consideramos indeformable.

- Existen fuerzas que intervienen o no con el objeto en análisis y su movimiento.

En el ejemplo que se muestra, vemos la palanca que está usando el ladrón para entrar por la puerta. Describimos, entonces, paso por paso el proceso que se seguirá y que comúnmente se repite para dibujar el diagrama de cuerpo libre.

Eje transversal

Medioambiente

La naturaleza es el mejor salón de clases. La observación continua del entorno nos permite diversificar nuestro conocimiento. Vivir en armonía con la naturaleza ayudará a que nuestro legado sea un mundo mejor, un mundo al que cada vez lo entendamos aún más.

Procedimiento para dibujar el diagrama de cuerpo libre (DCL)

1. Debemos estar seguros de qué cuerpo es el que vamos a aislar del resto de cuerpos en el sistema. En este caso, será la palanca.

▲ Figura 1.5. A la izquierda, las fuerzas sobre la palanca. A la derecha, las fuerzas en el plano cartesiano. Debemos tomar en cuenta que la mayoría de las direcciones de las fuerzas sobre la palanca son oblicuas. Por eso hemos elegido ejes inclinados.

1. Realizamos un esbozo del cuerpo aislado y lo ubicamos el plano de coordenadas (eje de referencia). Respecto a este plano de coordenadas se colocarán las fuerzas que interactúan con el cuerpo (Figura 1.5.). Las fuerzas que se colocan en un diagrama de cuerpo libre son únicamente las externas (por ejemplo: contacto con la superficie de otro cuerpo [fuerza normal], fuerza de tensión, fuerzas de rozamiento, etc.).
2. Debemos asegurarnos que los cuerpos que eliminamos del medio de la caja correspondan al mismo número de fuerzas que debemos graficar en el diagrama. En este caso eliminamos: las fuerzas que ejercen las manos sobre la palanca  (F_a1 y F_a2), la fuerza que ocasionan la puerta y el marco sobre la palanca (F_N2_ y F_N1) , y el peso que ejerce la Tierra.
3. Se deben graficar las fuerzas con su dirección y la información que se tiene.
4. En caso de duda sobre la dirección de una fuerza en particular, imaginamos qué pasaría si no existiera esa fuerza y nos daremos cuenta de la dirección.

Peso y fuerza normal

CN.F.5.1.20. Reconocer que la fuerza es una magnitud de naturaleza vectorial, mediante la explicación gráfica de situaciones reales para resolver problemas donde se observen objetos en equilibrio u objetos acelerados.

● Peso y fuerza normal

Saberes previos

Al peso propio de un cuerpo, ¿lo consideramos como una fuerza interna o una fuerza externa con respecto al cuerpo? ¿Por qué?

Desequilibrio cognitivo

Si en algunos casos  la fuerza que actúa en un cuerpo como consecuencia del contacto con una superficie es igual al peso del cuerpo, ¿será suficiente tener como dato la masa del cuerpo para obtener esta fuerza?

Supongamos que, en una fábrica, uno de los trabajadores, tratando de llegar al estante más alto con un grupo de cajas en sus manos, resbala de las escaleras. Las cajas caen y se detienen al llegar al piso.

TIC

En el siguiente video, podemos ver de mejor manera cómo actúa la fuerza normal en un cuerpo.

www.mayedu.ec/fis2/p24

▲ Trabajador que resbala.

▲ Figura 1.6. DCL. Donde:

F_N= fuerza normal

m • g = P (peso del cuerpo)

Nos parece lógico que las cajas se detengan al topar el suelo, pero exactamente, ¿qué es lo que provoca que las cajas se detengan?
¿Por qué no atraviesan el piso? ¿O por qué no lo hace el trabajador? ¿Qué fuerza lo impide?

Realizando el diagrama de cuerpo libre con base en una de las cajas, una vez que esta llega al piso, tenemos la gráfica que muestra la Figura 1.6.

Sabemos que la caja tiene peso, por eso cae, y sabemos que el piso ejerce una fuerza sobre la caja, por eso la detiene. A la fuerza que ejerce el piso la llamamos fuerza normal (Figura 1.6.).

La fuerza normal (F_N) es una interacción electromagnética. Dependiendo de la cohesión existente en la estructura interna a nivel molecular, hay dureza o flexibilidad en los materiales. Las fuerzas normales son interacciones entre las superficies de contacto, y se dan por repulsión eléctrica entre los campos eléctricos que constituyen a cada cuerpo. La fuerza normal es perpendicular a la superficie de contacto.

Al igual que la fuerza normal, el peso (P) es una magnitud vectorial que actúa sobre todos los cuerpos que tienen masa (m). La magnitud del peso (P) depende de la aceleración de la gravedad en ese punto, y de la cantidad de materia, es decir, de la masa (m) que posee el cuerpo en análisis.

Sabías que

Muchos insectos pueden caminar sobre el agua, pues no se rompe la cohesión entre las moléculas del agua. La fuerza que ejerce la superficie del agua es una fuerza normal.

La fuerza normal no está ligada al peso del cuerpo y depende de:

- la superficie de contacto,

- la magnitud de la fuerza externa que interactúa con el cuerpo.

En el diagrama de cuerpo libre de la caja, la fuerza normal hacia arriba indica la reacción que provoca el piso sobre la caja. La cohesión de las moléculas que conforman el piso evita que la caja continúe cayendo, pues la cohesión detiene el movimiento de cada una de las partículas que componen la caja. Por ello, cuando caemos al agua podemos atravesar la superficie, pues la cohesión de las moléculas es menor en el estado líquido que en el estado sólido.

El peso de cualquier objeto siempre se dirige hacia abajo, hacia la Tierra (más específicamente, hacia el centro del planeta).

Laboratorio casero

Un experimento que puedes hacer en casa es colocar con mucho cuidado un imperdible sobre el agua en un recipiente, y el imperdible quedará suspendido sin romper la superficie de cohesión entre las moléculas del agua (al igual que sucede con un insecto). A esta fuerza de cohesión se la denomina tensión superficial.

Al ser una interacción gravitacional, el peso depende de la aceleración que provoca la gravedad.

Un error muy frecuente es pensar que la fuerza normal es la reacción al peso. Esto no es así. La fuerza normal es la fuerza que ejerce la superficie de contacto y resulta que es reacción a la fuerza que ejerce el cuerpo sobre la superficie. La reacción al peso sería la fuerza gravitacional que ejercemos sobre la Tierra.

Fuerza de rozamiento

CN.F.5.1.19. Reconocer sistemas inerciales y no inerciales a través de la observación de videos y análisis de situaciones cotidianas y elaborar diagramas de cuerpo libre para conceptualizar las leyes de Newton, resolver problemas de aplicación.

● Fuerza de rozamiento

Saberes previos

Supongamos que estás caminando sobre hielo. Para dejar de resbalar, ¿qué harías y por qué lo harías?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué, cuando rozamos las palmas de nuestras manos en un día frío, sentimos calor? ¿Esta acción que realizamos para calentarnos se podría considerar como un ejemplo de aplicación de rozamiento?

Pongamos nuestra mano en contacto con la baldosa y movámosla sobre la superficie, manteniéndola siempre en contacto. Ahora busquemos una superficie de madera y hagamos lo mismo. ¿Notaste la diferencia?

Por medio de la vista podemos encontrar diferencias entre ambos materiales (el color, la forma, etc.). Con el tacto percibimos la diferencia de textura que existe entre la baldosa y la madera (e incluso con la vista podríamos notar esa diferencia).

Pero qué sucede en este ejemplo: si ponemos la mano sobre un pedazo de madera de roble con un excelente acabado y luego sobre un pedazo de madera de eucalipto que tiene igualmente un excelente acabado, ¿habrá alguna diferencia que podamos percibir con el tacto?

Podemos ver (Figura1.7.) a nivel molecular que aunque las superficies de los bloques de madera estén bien pulidas, aún habrá presencia de irregularidades que no facilitan el movimiento sobre dichas superficies. Las vetas que tiene cada tipo de madera le otorgan diferente irregularidad.

▲ Figura 1.7.

Dato Curioso

Aquaplaning

Es un fenómeno que sucede durante la lluvia. Produce que la llanta pierda control del movimiento del vehículo sobre el piso, debido a la falta de fricción entre estas dos superficies por la formación de una película entre las llantas y el pavimento. Es muy peligroso en exceso de velocidad, debido a que no hay suficiente "agarre" entre el caucho y el pavimento.

Denominamos como fuerza de rozamiento a aquella que existe entre la superficie en contacto y el cuerpo en movimiento o reposo. Esta fuerza se opone al movimiento. La fuerza de rozamiento depende de la superficie de contacto de la fuerza normal que produce la superficie sobre el cuerpo en análisis.

El máximo valor de la fuerza de rozamiento está determinada por la siguiente ecuación

,

donde la letra griega mi (μ) es el coeficiente de fricción.

Este coeficiente dependerá del material del que estén compuestas las superficies sobre las que se encuentran apoyadas los cuerpos; es el vector fuerza normal que ejerce el contacto de un objeto con el cuerpo en análisis.

Existen dos coeficientes de fricción, uno estático y otro al que denominamos cinético. Con el siguiente ejemplo, los diferenciaremos mejor el uno del otro.

Imaginemos la escena mostrada en la fotografía. Si alguna vez hemos movido un objeto de gran tamaño, empujando o halándolo, es más difícil ponerlo en movimiento, que hacerlo una vez que ya ha empezado a moverse.

La razón de esta diferencia se debe a la propia inercia del cuerpo, es decir, a la oposición del cuerpo a cambiar su estado de reposo (que más adelante explicaremos detenidamente). Cuando el objeto se pone en movimiento, es más fácil que siga en movimiento. Por lo tanto, los coeficientes de fricción serán diferentes. En reposo el coefIciente será mayor que en movimiento.

TIC

Mira el simulador de fuerzas y movimiento en este enlace:

www.mayedu.ec/fis2/p29

Pulsa en fricción, realiza varias pruebas para responder:

¿Cúal es el valor del coeficiente de rozamiento estático y cinético sobre la caja y sobre el refrigerador?

El coeficiente de fricción estático (μ_E) actúa cuando el cuerpo aún no ha empezado el movimiento. Una vez que empieza a moverse el cuerpo, actúa el coeficiente denominado coeficiente de fricción cinético (μ_K). El coeficiente de fricción es adimensional.

▼ Tabla 1

Ley de inercia

CN.F.5.1.16. Indagar los resultados de Aristóteles, Galileo y Newton, para comparar sus experiencias frente a las razones por las que se mueven los objetos y despejar ideas preconcebidas sobre este fenómeno, con la finalidad de conceptualizar la primera ley de Newton (ley de la inercia) y determinar por medio de la experimentación que no se produce aceleración cuando las fuerzas están en equilibrio, por lo que un objeto continúa moviéndose con rapidez constante o permanece en reposo (primera ley de Newton o principio de inercia de Galileo).

● Ley de inercia

Saberes previos

Supongamos que en el mismo vehículo que te desplazas se encuentra un elefante.
Tú estás sentado junto al elefante, en el asiento de atrás.
El conductor no se percata de la curva a la que se aproxima, y entra en ella a toda velocidad. ¿A qué se debe que el elefante te aplaste?

Desequilibrio cognitivo

Hoy en día, el reposo y el movimiento uniforme son considerados como estado de equilibrio. ¿Por qué crees que antes de las investigaciones de Galileo no se consideraba el movimiento uniforme como de estado natural?

Todo cuerpo se mantiene en su estado de movimiento o reposo (Figura 1.8.)...

▲ Figura 1.8.

… a menos de que exista una perturbación (fuerza) que cambie dicho estado (Figura1.9.).

▲ Figura 1.9.

Newton y Galileo

La primera y segunda leyes de movimiento propuestas por Newton ya habían sido publicadas por Galileo. Las observaciones a los cuerpos celestes y la interpretación de fenómenos que sucedían alrededor permitieron introducir conceptos que para la época no habían sido tratados por creer que la verdad ya había sido determinada por otros investigadores como Aristóteles.

Galileo (Italia, 1564-1642), en su obra Diálogos sobre los dos grandes sistemas del mundo (1632), ya tuvo una noción de lo que años después se dedicaría Isaac Newton a investigar. Galileo trata temas como la inercia y nos conduce hacia un nuevo concepto de fuerza, entendida como la causa de la modificación del movimiento: “Para que un cuerpo permanezca en movimiento, simplemente hay que dejarlo”. www.mayedu.ec/fis2/p32

El concepto de reposo como único estado natural de un cuerpo se desecha, y se incluye también el movimiento uniforme como estado de movimiento.

Luego, los puntos de partida de los estudios realizados por Isaac Newton se basan en la obra de Galileo y se ven reflejados en su obra más famosa, Philosophiæ naturalis principia mathematica, donde describe la ley de la gravitación universal y establece las bases de la mecánica clásica mediante las leyes que rigen a los cuerpos dentro de los sistemas inerciales.

Ejercicio resuelto

Se quiere mover una refrigeradora de 60 kg asentada en un piso horizontal rugoso y cuyos coeficientes de fricción estático son de 0,3 y 0,2 respectivamente. Calcular la fuerza necesaria para que empiece el movimiento y la fuerza para mantenerlo con velocidad constante.

Σ = 0

F − F_r = 0          F = F_r = μ⋅N

ΣF_y  = 0

F_E = μ_E ⋅ N F_K = μ_K ⋅ N

ΣF_y = 0          N − mg = 0

N = mg = 60kg ⋅ 9,8 m/s^2

N =588 N

F_E = μ_E⋅N          F_K = μ_K⋅N

F_E = 0,3⋅588         N = 176,4 N

F_K =0,2⋅588        N = 117,6 N

La fuerza que requiere para ponerlo en movimiento es de 176,4 N y para mantenerlo en movimiento, por la inercia es de 117,6 N

La primera ley de Newton nos introduce al concepto de inercia. La inercia es la tendencia que un cuerpo tiene por mantener su estado (equilibrio o movimiento).

Esto nos indica que es imposible que un cuerpo pueda cambiar su estado por cuenta propia. Las fuerzas que interactúan con el cuerpo en su medio son las que producen que cambie.

Imaginemos la siguiente escena: si en este momento salimos del planeta, lo lograremos impulsados por la fuerza que provocan los propulsores de la nave sobre el suelo. Una vez que salgamos de la acción de la gravedad, encontrándonos lo suficientemente lejos del planeta, será necesario detenernos de alguna manera. Fuera del alcance de la fuerza de la gravedad de la Tierra, es imposible detenernos. Si no hacemos algo, nos perderemos en la oscuridad del espacio.

Dentro del planeta las fuerzas que actúan sobre nuestro cohete (Figura 1.10.):

▲ Figura 1.10.

Más allá de la acción gravitacional, tenemos que el movimiento se vuelve uniforme. Entonces, la sumatoria de fuerzas netas que actúan sobre el cuerpo cuando se encuentra en equilibrio es:

Esta es la ecuación matemática que describe la primera ley de Newton.

No es necesario constatar la ausencia de fuerzas para definir la primera ley; estando en Tierra, si las fuerzas se anulan entre sí, diremos que el cuerpo se encuentra en equilibrio. Por ejemplo, cuando estamos sentados quietos, nuestro peso es contrarrestado con la fuerza que ejerce la silla, y si por inquietos nos caemos, existe un desequilibrio mientras estamos cayendo y nuevamente en el piso volvemos a estar en equilibrio. Nuestro peso es contrarrestado con la fuerza que ejerce ahora el piso sobre nosotros. Durante la caída solo existía la resistencia del aire que, desde luego, es demasiado pequeña para impedir nuestra caída.

Ley de acción y reacción

CN.F.5.1.18. Explicar la tercera ley de Newton en aplicaciones reales.

● Ley de acción y reacción

Saberes previos

¿Cuál es la diferencia que existe entre el agua y el concreto, cuando consideramos que no podemos apoyarnos en el agua líquida, pero sí en una pared hecha de concreto?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué si a toda acción corresponde una reacción, estas fuerzas no se anulan entre sí?

Salta varias veces en el lugar que está junto a tu asiento. ¿Te has preguntado alguna vez cómo el suelo sostiene nuestro peso?

Esto se debe a que el material es lo suficientemente fuerte para crear una reacción opuesta a la que generamos. En este caso, la baldosa o la madera son lo suficientemente fuertes para soportar nuestro peso.

Humor

La tercera ley de Newton (o ley de acción y reacción) sostiene lo siguiente:

Si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B (una “acción”), entonces B ejerce una fuerza sobre A (una “reacción”).

▲ Figura 1.11.

En la Figura 1.11., tenemos un martillo (cuerpo A) que golpea un clavo (cuerpo B). La reacción que existe a consecuencia del golpe envía hacia atrás el martillo y hace que el clavo penetre en la madera.

TIC

Para recordar de modo resumido las tres leyes de Newton, puedes visitar este enlace:

www.mayedu.ec/fis2/p37

Las fuerzas no se eliminan a pesar de que tengan la misma magnitud y dirección opuesta, porque actúan en diferentes cuerpos. Solo una de las fuerzas aparece en el cuerpo, dependiendo de cuál de ellas
estemos analizando.

Por ejemplo, en la fotografía vemos a una chica empujando un bloque.

Eje transversal

Interculturalidad

Es importante mejorar la relación entre seres humanos, pues vivimos en conjunto. Los ritos ancestrales, por ejemplo, forman parte de nuestras comunidades indígenas y es importante respetarlos. El objetivo común que deberíamos alcanzar es generar un ambiente en el que podamos convivir en armonía.

Si realizamos un diagrama de cuerpo libre, primero de la chica y luego, únicamente, del bloque, el diagrama quedaría de la siguiente manera:

▲ Figura 1.12.

Recuerda que...

El par de fuerzas acción y reacción son dos fuerzas de igual magnitud y de sentido contrario que son aplicadas sobre diferentes cuerpos.

Es necesario recalcar, entonces, que todas las fuerzas externas deben estar representadas en el diagrama de cuerpo libre para el análisis,
de tal manera que no omitamos información importante.

También hay que considerar que siempre existe un par de fuerzas y esto se da en la interacción entre los cuerpos.

Sistemas inerciales y no inerciales

CN.F.5.1.19. Reconocer sistemas inerciales y no inerciales a través de la observación de videos y análisis de situaciones cotidianas, y elaborar diagramas de cuerpo libre para conceptualizar las leyes de Newton, y resolver problemas de aplicación.

● Sistemas inerciales y no inerciales

Saberes previos

¿Tendrá la misma observación de un fenómeno aquella persona que se encuentra mirándolo desde un auto en movimiento y otra persona que lo mira sentado en una vereda?

Desequilibrio cognitivo

¿Las leyes de Newton se cumplirían tanto en un sistema inercial como en uno no inercial?

Un hombre acaba de cortar madera y la apila en el piso.

Para llevar la madera a casa, sube la pila de troncos a la camioneta y, apenas acelera, la pila cae y algunos troncos caen desde la camioneta hacia el piso. Una cámara de seguridad, ubicada en lo alto de un árbol, graba al hombre mientras este baja del auto, desconcertado, para ver qué ocurrió con la pila de troncos.

TIC

Mira el video:
www.mayedu.ec/fis2/p40
y discútelo con tus compañeros en clase.

En esta escena tenemos dos observadores claves: el hombre que maneja y la cámara de seguridad que filma.

Desde el punto de vista de la cámara, la camioneta se alejaba con aceleración, y los troncos que cayeron se movieron un poco hacia adelante. Desde el punto de vista del conductor, los troncos que cayeron se fueron hacia atrás de la camioneta, pues actuaba una fuerza contraria al movimiento sobre los troncos que hacía que estos cayeran de la camioneta.

Si nuestro sistema de referencia parte desde el punto de vista de la cámara, decimos que es un sistema de referencia inercial. Si parte desde el punto de vista del conductor, denominamos el sistema como no inercial.

Los sistemas inerciales son aquellos que no tienen aceleración y están en reposo o tienen un movimiento rectilíneo uniforme es decir, con velocidad constante.

Los sistemas no inerciales son los que se mueven con aceleración respecto a un sistema inercial.

▲ Figura 1.13.

Sabías que

Ernest Hemingway apreciaba mucho una copa de vino y nunca perdía la oportunidad de acompañarla con un buen libro. Durante un viaje en tren, el novelista (que iba sentado en el vagón comedor) charlaba con el mesero. El tren de pronto se detuvo y la copa llena de vino se derramó sobre él.

Una persona fuera del tren observó cómo el novelista se enfureció por no saber qué había ocurrido con la copa al no percatarse que se encontraba en un sistema no inercial.

▲ Ernest Hemingway.

Ejercicio

Una persona (Figura 1.14.) empuja hacia arriba una caja de 20 kg sobre un plano que tiene una inclinación de 30° con respecto a la horizontal. En un punto sobre la pendiente, la persona se detiene. Conociendo que el coeficiente de fricción estático entre la superficie de rodadura y la caja es de 0,7, ¿cuál es la fuerza mínima que debería aplicar sobre la caja para que esta no resbale hacia abajo?

▲ Figura 1.14.

En el ejemplo mostrado, la fuerza F es la que necesitamos encontrar.

▲ Figura 1.15.

Aplicando la primera ley de Newton, y considerando que no existe movimiento en ninguno de los ejes:

Σ = 0
Σ _X = 0
F - F_R - mgsen30 = 0

F = F_R + mgsen30

F = μ_s F_R + mgsen30    (1)

Σ _y = 0
F_N = mg cos30    (2)

Reemplazando (2) en (1), tenemos:

F = μ_e mg cos30 + mgsen30 (2)

Reemplazando los datos conocidos, tenemos:

F_mín = 0,7 ∙ 20 ∙ 9,81 cos30 + 20 ∙ 9,81 sen30

F_mín = 217 N

Vemos entonces que en un sistema inercial como el mostrado no actúan fuerzas ficticias que produzcan movimiento, y que las leyes de Newton son suficientes para explicar el cambio de estado de movimiento de un cuerpo.

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

Grúas de carga:
grúa torre

Una estructura metálica desmontable permite el transporte de materiales pesados, pues se apoya sobre suelo firme. Esta estructura emplea el principio de equilibrio estático.

¿Cómo se investiga en física?

¿Cómo se investiga en física?

Modelo físico y prototipos

Un modelo es una representación abstracta, conceptual, gráfica, visual, física o matemática de un fenómeno. Los modelos permiten estudiar aquello que no se puede ver o manipular, ya sea por su tamaño real o por la dificultad de observarlo en condiciones normales.

La idealización de un fenómeno de manera un poco más abstracta nos permite generar, posteriormente, lo que se denomina prototipo.

Uno de los primeros modelos de física se generó con la teoría de la relatividad de Galileo. Según Galileo, nuestra percepción del espacio estaría entorpecida por el sistema de referencia que tomáramos. Por ejemplo:

Si por un camino una chica corre, mientras otra persona está quieta, la chica notará claramente que es ella la que se aproxima a la persona que está quieta. Pero, en el caso de que estuviésemos en un espacio vacío sin referencias, y dentro de ese espacio solo hubiesen dos objetos, uno acercándose al otro, ¿cómo podríamos saber cuál de ellos es el que se está aproximando hacia el otro? Esta idealización da como conclusión que el espacio y sus componentes son relativos y que no existe nada absoluto.

A finales del siglo XIX, Albert Michelson y Edward Morley demostraron que el modelo de Galileo no estaba del todo en lo correcto. Mediante un prototipo (el interferómetro) demostraron científicamente que la luz es el único componente del espacio que tiene velocidad absoluta. Es decir, si pudiésemos movernos a la velocidad de la luz y disparásemos un haz de luz, este haz se movería con respecto a nosotros y a cualquier observador también a la velocidad de la luz.

Un prototipo es una representación más concreta de lo que queremos obtener, y se caracteriza por probar nuevas ideas que generen de mejor manera las condiciones o características naturales de un fenómeno o un elemento. En los prototipos se van probando mejoras de acuerdo con lo conceptualizado en modelos.

Por ejemplo, para el diseño de los monoplazas de fórmula uno, se generan modelos que buscan mejorar el desempeño y que permitan cambiar la aerodinámica del auto (por ejemplo, probando fibra de vidrio en lugar de  fibra de carbono). Estos modelos se ponen a prueba mediante programas de computadora y posteriormente, en túneles de viento, de lluvia, entre otros.

En este enlace encontrarás más información acerca de la relatividad de Galileo: www.mayedu.ec/fis2/p45

Laboratorio

Laboratorio

Coeficiente de fricción

Datos informativos

Institución educativa:

Nombre de los estudiantes: ​

Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Objetivos

1. Halla el coeficiente de fricción estática en un sistema.
2. Comprueba lo enunciado en la ley de inercia de Isaac Newton.

Procedimiento

Primera parte:

1. Procederemos primero a medir la masa de nuestro cubo y a anotar el dato.
2. Empleando el graduador y la superficie de madera, formaremos un plano inclinado. Con el graduador medimos 30 grados entre la mesa de trabajo y la superficie de madera.
3. Colocamos el cubo sobre el plano inclinado. En caso de no mantenerse el cubo en reposo, necesitaremos reducir sus dimensiones.

▲ Figura A

1. Una vez que tenemos el sistema como se muestra en la Figura A, procederemos a realizar el análisis del cuerpo. El diagrama de cuerpo libre del objeto es el que se muestra en la Figura A.
2. Variamos el ángulo θ, y en la siguiente tabla completamos los datos según corresponda.

Materiales

- Cubo de madera de 3 x 3 x 3 cm^3 como mínimo
- Regla
- Pedazo de madera (MDF, aglomerado, triplex) de dimensiones iguales o mayores a 297 x 210 mm
- Graduador
- Balanza
- Cinta
- Cuaderno
- Lápiz

Resultados:

Cálculos

Aplicando la primera ley de Newton, tanto para el eje x como para el eje y, tendremos:

Reemplazando la ecuación b) en la ecuación a), tendremos entonces:

Con esta expresión determinaremos finalmente el valor del coeficiente de fricción estática.

Conclusiones