LAS FUERZAS.
1. ¿QUÉ ES UNA FUERZA?
|
Los cuerpos no tienen fuerza, la fuerza no es algo que se posee. Las fuerzas se ejercen.
Las fuerzas aparecen como resultado de una interacción entre dos cuerpos y siempre se presentan de dos en dos: 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.
⏩ FUERZAS ENTRE DOS CUERPOS
2. FUERZA: MAGNITUD VECTORIAL
|
Las fuerzas se ejercen siempre en una
dirección y sentido, y se aplican en puntos concretos de los cuerpos. Por ello,
la fuerza es una magnitud vectorial y se suele representar gráficamente por medio de flechas.
La fuerza es un vector que posee:
a) módulo: nos indica lo " grande " o "pequeña" que es la fuerza y se representa con la longitud mayor o menor del segmento.
La fuerza es un vector que posee:
a) módulo: nos indica lo " grande " o "pequeña" que es la fuerza y se representa con la longitud mayor o menor del segmento.
b) dirección: nos indica la recta sobre la que está soportada la flecha.
c) sentido: de un vector nos indica hacia qué lado de la recta apunta o está aplicada la fuerza. Cada dirección tiene dos sentidos.
d) punto de aplicación: de un vector nos indica el lugar exacto donde se aplica la fuerza.
La unidad de las fuerzas en el sistema
internacional es el newton (N).c) sentido: de un vector nos indica hacia qué lado de la recta apunta o está aplicada la fuerza. Cada dirección tiene dos sentidos.
d) punto de aplicación: de un vector nos indica el lugar exacto donde se aplica la fuerza.
A.1.
Cita tres situaciones de tu vida
cotidiana en las que, mediante una fuerza, se produzca:
•
Movimiento en un cuerpo en reposo.
•
El cambio en el movimiento de un
cuerpo.
•
Una deformación en un cuerpo
|
A.2. Un chico y una chica tiran de una cajon:
a) Con F1 = 50 N y F2 = 50 N en la misma dirección y sentido. b) Con F1 = 50 N y F2 = 50 N en la misma dirección y sentido contrario. Cual será la fuerza resultante en cada caso. SOLUCIÓN: |
3.
TIPOS DE FUERZAS: de contacto y a distancia.
|
Sobre un cuerpo pueden actuar dos tipos de fuerzas: Fuerzas
de contacto y fuerzas a distancia:
- Fuerza de contacto:
Son aquellas que ejercen mutuamente los cuerpos cuando entran en
contacto directo, como empujar el coche del bebé o cuando el futbolista patea
la pelota
- Fuerza a distancia:
Son aquellas que ejercen los
cuerpos sin la necesidad de entrar en contacto directo, como la hoja que cae
del árbol, la atracción de un imán sobre un metal.
A.3. Pon ejemplos de
fuerzas que actúen por contacto y de fuerzas que actúen a distancia.
|
4. EFECTO DE LAS FUERZAS.
|
Una fuerza puede modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo:
Una fuerza puede deformar un cuerpo:
5. EFECTO DE LAS FUERZAS; deformaciones.
|
Uno de los efectos que producen las fuerzas sobre los
cuerpos son las deformaciones. Los sólidos se clasifican en dos grupos:
deformables y no deformables.
• Cuerpos plásticos: Se deforman por la acción de una fuerza y no
recuperan su forma inicial al dejar de actuar dicha fuerza. Ejemplos:
Plastilina, cera, manteca, etc.
• Cuerpos elásticos: Se deforman por la acción de una fuerza pero
recuperan su forma inicial cuando deja de actuar la fuerza. Ejemplos: Gomas
elásticas, muelles, etc.
Sólidos
no deformables: Se
llaman también sólidos rígidos. Si las fuerzas que actúan son muy grandes, se
pueden romper, produciéndose una ruptura o fractura.
A.4.
Pon ejemplos de fuerzas que
produzcan efectos dinámicos (cambio en el estado de movimiento) y de fuerzas que produzcan efectos estáticos (no hay cambio en el estado de movimiento).
Indica en cada caso qué cuerpo hace la fuerza y qué cuerpo la recibe.
A.5.
¿Cómo clasificarías los siguientes objetos?
•
Una esponja
•
Las fibras de un cepillo de
dientes.
•
La plastilina
•
Un vaso de agua.
•
El barro
•
Un patito de goma.
•
Una almohada
|
5.1. LEY DE HOOKE.
En el siguiente ejemplo vamos a
calcular la relación cuantitativa que existe entre la fuerza aplicada y la
deformación del muelle.
Vamos a colgar del muelle de la
figura diferentes pesos y vamos a tomar medida del alargamiento del muelle.
Suponemos que una vez hecha la
experiencia, hemos obtenido los resultados siguientes:
Fuerza F(N)
|
100
|
200
|
300
|
400
|
500
|
Alargamiento
|
0,05
|
0,10
|
0,15
|
0,20
|
0,25
|
Observamos que el cociente presenta
un valor constante:
Este cociente
recibe el nombre de constante elástica K, que en el Sistema
Internacional es medida en Newton por metro (N/m) y depende de las
características particulares de cada muelle. Podemos establecer esta relación:
F = K · 𝚫x
Esta expresión
es conocida como la Ley de Hooke
y se puede enunciar así: La deformación o alargamiento (Ax) de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que lo produce (F).
⏩ Ley de Hooke
PRÁCTICA 1. Halla la constante elástica del muelle 1. Y el valor de la pesa de color verde
________________________________________________________________________________
⏩ Ley de Hooke
PRÁCTICA 1. Halla la constante elástica del muelle 1. Y el valor de la pesa de color verde
A.6. Un muelle de 20 cm de longitud tiene una coeficiente de elasticidad de 5,8 N / cm. ¿Cuál será su longitud cuando se aplique sobre él una fuerza de 2,5 N?
SOLUCIÓN: A.7. Un dinamómetro se alarga 4 cm cuando se cuelga de él un peo de 5 N ¿cuál es la constante recuperadora de su muelle? SOLUCIÓN: A.8. Tenemos un muelle cuya constante recuperadora es de 150 N / m, ¿cuánto se alargará si se suspende de él un peso de 3 N? SOLUCIÓN: |
________________________________________________________________________________
6.
EFECTO DE LAS FUERZAS: cambiar el estado de movimiento.
|
Un efecto de la fuerza es la
alteración del movimiento de los cuerpos. Siempre
que veamos a un cuerpo cambiar su movimiento, debemos pensar en la acción de fuerzas.
Cuando un coche acelera, frena o toma una curva (cambia de dirección) lo hace gracias a fuerzas del motor, de los frenos, del volante, de los neumáticos sobre la carretera o de todas a la vez.
Cuando un coche acelera, frena o toma una curva (cambia de dirección) lo hace gracias a fuerzas del motor, de los frenos, del volante, de los neumáticos sobre la carretera o de todas a la vez.
6.1. MOVIMIENTO.
Un cuerpo se
mueve cuando, al actuar sobre él una fuerza, cambia de posición respecto a un
punto de referencia que consideramos fijo.
Posición: Es un vector que nos indica la distancia desde donde está el móvil al punto al
sistema de referencias usado para estudiar el movimiento.
Trayectoria: Es la línea que describe un móvil en su
movimiento. Si la trayectoria es una línea recta, el movimiento es rectilíneo y
si es una curva, es curvilíneo.
Distancia recorrida:
Es la distancia que recorre un móvil medida sobre la trayectoria.
Desplazamiento: es un vector que nos indica la dIstancia, medida en línea recta, que une dos posiciones distintas de un móvil.
Velocidad: Es la magnitud que nos informa de la rapidez
con la que se mueve un cuerpo.
Velocidad media: Es la medida
del desplazamiento recorrido (o distancia si el movimiento es rectilíneo) entre
el tiempo empleado para hacerlo.
vm = desplazamiento / tiempo = ∆ x / ∆ t = x f - x o / tf - to
Aceleración:
Es la magnitud que nos informa del cambio de la velocidad con la que
se mueve un cuerpo
Aceleración
media: es la mediada del cambio de velocidad entre el tiempo
empleado para hacerlo
am = cambio de la velocidad / tiempo = ∆ v / ∆ t = vf - vo / tf- to
EJEMPLO 1. ¿Qué velocidad media lleva una avioneta si recorre 3000 m en 1 minuto?. Expresa el resultado en el SI y en km/h
SOLUCIÓN:
EJEMPLO 2.
SOLUCIÓN: |
A.9. Un caballo se mueve a una velociddad de 20 m/s ¿qué distancia, en línea recta, recorrerá en una carrera de 50 s?
SOLUCIÓN
A.10. La velocidad de la luz es de 3·10^5 km/s. Calcula la distancia que recorrerá en 1 h.
SOLUCIÓN
A.11. El guepardo ene capaz de mantener una velocidad de 115 km/h durante una distancia de 500 m. a) Expresa esa velcodad en el Sistema Internacional; b) Calcula cuánto tiempo utilizará para recorrer esa distancia
SOLUCIÓN |
6.2.
PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA.
Cuando aplicamos una fuerza sobre una caja, la caja cambia su velocidad, es decir, adquiere una cierta aceleración.
Principio fundamental de la Dinámica o 2ª Ley de Newton: la fuerza ejercida sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que esa fuerza ejerce sobre él.
Principio fundamental de la Dinámica o 2ª Ley de Newton: la fuerza ejercida sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que esa fuerza ejerce sobre él.
Matemáticamente se expresa así: F = m · a
Donde: F es la fuerza aplicada, expresada en newtons.
m es la
masa del cuerpo, expresada en kilogramos.
a es la
aceleración que la fuerza produce en el cuerpo, expresada en m / s2.
⏩ 2ª LEY DE NEWTON I
⏩ 2ª LEY DE NEWTON II
⏩ 2ª LEY DE NEWTON I
⏩ 2ª LEY DE NEWTON II
EJEMPLO 3. Se aplica una fuerza de 100 N a un cuerpo y éste acelera a 10 m/s2. Calcula la masa de ese cuerpo.
|
A.12.
Calcula la fuerza que se ha de aplicar a un cuerpo de 20 kg de masa para
comunicarle una aceleración de 3 m/s2.
SOLUCIÓN
A.13.
¿Qué aceleración produce una fuerza de 150 N sobre un cuerpo que tiene una
masa de 75 kg?
SOLUCIÓN
A.14.
Se aplica una fuerza de 20 N a un cuerpo y éste acelera a 5 m/s2.
Calcula la masa de ese cuerpo.
SOLUCIÓN |
7. TIPOS DE FUERZAS.
|
⏩ TIPOS DE FUERZAS: VER
EN LA NATURALEZA HAY 4 TIPOS DE INTERACCIONES:
A nivel macroscópico:
1. Interacción gravitatoria.
2. Interacción electromagnética
(Cualquiera de las fuerzas con la que trabajemos, son de estos 2 tipos)
A nivel nuclear:
3.Interacción fuerte.
4. Interacción débil
(No trabajamos con ellas, ya que tienen lugar en el interior del núcleo)
TAMBIÉN PODEMOS CLASIFICAR LAS FUERZAS COMO: Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia:
- Fuerza de contacto: Son aquellas que ejercen mutuamente los cuerpos cuando entran en contacto directo, como empujar el coche del bebé o cuando el futbolista patea la pelota
- Fuerza a distancia: Son aquellas que ejercen los cuerpos sin la necesidad de entrar en contacto directo, como la hoja que cae del árbol, la atracción de un imán sobre un metal.
A.15. Pon ejemplos de fuerzas que actúen por contacto y de fuerzas que actúen a distancia.
|
8.
LA FUERZA GRAVITATORIA. EL PESO DE LOS CUERPOS.
|
La fuerza gravitatoria, la que conocemos desde más antiguo
es la fuerza con la que todos los cuerpos del Universo se atraen entre sí. Ya
en el siglo XVII, Isaac Newton enunció la Ley Gravitación Universal: La fuerza
con que se atraen des cuerpos de masas m1 y m2 es directamente proporcional al
producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que les separa.
Donde m1 y m2 son las masas de los cuerpos, r es la
distancia que les separa y G la constante de gravitación universal que vale: 6,67392×10 -11 N· m2/ kg2
EJEMPLO 4. Los satélites de televisión giran alrededor de la Tierra en una órbita de 42370 km de radio. ¿Qé fuerza gravitatoria ejerce la Tierra sobre un satélite de 1200 kg? Datos: G = 6,67 10^-11 N·m^2
/kg^2; masa de la Tierra: 6·10^24 kg
SOLUCIÓN. |
⏩ Calcula fuerzas gravitatorias
A.16. Calcula la fuerza atractiva entre dos objetos de 10 kg de masa cada uno situados a 1 m de distancia.
SOLUCIÓN |
La fuerza gravitatoria existe entre dos cuerpos cualesquiera del Universo, pero es muy débil y solo se nota cuando al menos uno de los cuerpos tiene una masa muy grande como ocurre con las estrellas y los planetas.
8.1.1. PESO.
Como acabamos de ver, la atracción entre masas es una
propiedad general de la materia. Así, la Tierra ejerce una fuerza de atracción
sobre nosotros y los cuerpos situados en su superficie o proximidades. Esta
fuerza llamada peso (P), al igual
que las demás fuerzas es igual a la masa por la aceleración que en este caso se
llama aceleración de la gravedad (g).
Matemáticamente: P = m · g
donde: P es el peso que se mide en el S.I. en newtons (N).
m es la
masa que se mide en kg
g es la
aceleración de la gravedad, cuyo valor en la superfice de la Tierra es 9,8 m /s2
El peso de un cuerpo se mide con unos aparatos llamados dinamómetros que estarán calibrados en newtons.
A.17.
Calcula el peso de una persona cuya masa es de 60 kg.
SOLUCIÓN:
A.18.
Calcula la masa de un cuerpo cuyo peso es de 1000 N.
SOLUCIÓN: |
9.
LA FUERZA ELÉCTRICA.
|
LAB.1. Toma un bolígrafo y frótalo con un paño rugoso bien seco. Aproxímalo después
a unos pedacitos de papel, ceniza, trocitos de pelo u otros objetos livianos.
Observa lo que ocurre Repite la experiencia frotando una regla, peine,..
LAB.2. Deja caer un chorro muy fino de agua de un grifo. Frota un peine en tu cabeza
varias veces, como si te peinaras. Aproxima luego las púas al chorro de agua.
Observa y anota
|
Alrededor del año 600 a.C., el filósofo griego Tales de
Mileto descubrió que, después de frotar ámbar con lana de oveja, este era capaz
de atraer algunos objetos ligeros, como las plumas de las aves.
Como has comprobado podemos observar estos fenómenos en
nuestra vida cotidiana. Estos fenómenos reciben el nombre de fenómenos
electrostáticos. La causa de estos fenómenos es la carga eléctrica.
La carga eléctrica es una propiedad de la materia: La carga eléctrica positiva
se produce cuando los átomos pierden
algunos de sus electrones. La carga negativa se produce cuando los átomos
ganan electrones.
Los cuerpos neutros se han cargado por frotamiento
(también se pueden electrizar por contacto con otros cuerpos cargados). Los
cuerpos se cargan al perder o ganar electrones.
Cargas eléctricas del mismo signo se repelen y cargas
eléctricas de distinto signo se atraen. La unidad de carga en el S.I es el
culombio.
⏩ Cargar los globos por frotamiento
Los fenómenos magnéticos ya eran conocidos por los antiguos griegos. En la ciudad de magnesia, en Grecia, observaron que algunos minerales eran capaces de atraer a los objetos de hierro.
⏩ Cargar los globos por frotamiento
10. LA FUERZA MAGNÉTICA.
|
Los fenómenos magnéticos ya eran conocidos por los antiguos griegos. En la ciudad de magnesia, en Grecia, observaron que algunos minerales eran capaces de atraer a los objetos de hierro.
Los imanes son materiales con propiedades magnéticas. Pueden
atraer al hierro y atraer o repeler a otro imán.
Los imanes pueden ser de dos tipos:
Naturales: son los que existen en la naturaleza y no están
fabricados por el ser humano. Por ejemplo la piedra imán o magnetita.
Artificiales: son los que se obtienen gracias a la
manipulación humana.
Los imanes tienen las siguientes propiedades:
1. Tienen dos
polos situados en sus extremos, uno es el polo norte y otro es el polo sur. Los imanes experimentan entre sí fuerzas de atracción y de repulsión. Al acercar dos imanes por sus polos se observa que, si los polos son distintos de imanes se atraen y si son iguales se repelen
2. En los
polos el magnetismo es máximo. Sin embargo, en la parte central casi no se manifiestan
las propiedades magnéticas y se dice que es neutra.
3. Los polos
de un imán no se pueden separar; si se parte un imán por la mitad, vuelven a
aparecer en cada una de las mitades y lo mismo sucede si se continúa dividiendo
de nuevo el imán.
4. Los imanes
atraen sustancias como el hierro, cobalto, níquel y aquellas que contengan
algunas de las anteriores
⏩ IMÁN Y BRÚJULA I
⏩ IMÁN Y BRÚJULA II
⏩ LA BRÚJULA Y LA TIERRA⏩ IMÁN Y BRÚJULA II
LAB.3. (Si dispones del material) Frota varias veces la punta de una aguja con el polo norte de un imán. La aguja quedará imantada.
Ata un hilo al centro de la aguja y suspéndela en el aire. ¿Qué ocurre? ¿Por qué?
|
FUERZAS DE ROZAMIENTO.
Cuando caminamos sobre el hielo nos podemos resbalar y caer, pero en un suelo de tierra no corremos ese riesgo ¿Por qué sucede esto?
Cuando dos cuerpos en contacto se desplazan uno sobre el otro o intentan hacerlo, sus superficies rozan y se produce una fuerza que se opone al movimiento, llamada fuerza de rozamiento.
Las fuerza de rozamiento dependen de:
• La rugosidad de las superficies de contacto.
• El peso de cuerpo apoyado.
⏩ AMPLIACIÓN: LEYES DE NEWTON
CUESTIONES Y PROBLEMAS
P.1. ¿Qué efectos producen las fuerzas en los siguientes casos? a) Un jugador de fútbol que lanza un balón que está parado en el suelo. b) Una persona que levanta una silla desde el suelo hasta cierta altura. c) Un artesano que moldea la cerámica. d) Un panadero que amasa el pan. e) Un portero de balonmano que detiene un balón. f) Una persona que se pesa en una balanza de muelle.
P.2.- Un alumno/a de 52 kg, ¿pesará lo mismo en la Luna y en la Tierra? ¿dónde tendrá más masas?
P.3.- Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones.
a) Los cuerpos elásticos son aquellos que quedan deformados aunque deje de actuar las fuerzas sobre
ellos.
c) Las fuerzas siempre aumentan o reducen la velocidad de los cuerpos sobre los que actúan, pero
nunca cambian su dirección.
b) Una rueda que rueda sobre una superficie horizontal va perdiendo fuerza.
d) Una fuerza es cualquier causa capaz de deformar un cuerpo o modificar su estado de reposo o
de movimiento.
P.4.- Indica verdadero-falso según corresponda:
c) Los objetos sólo se pueden cargar por frotamiento.
b) Dos cargas de signo positivo se repelen.
d) Los cuerpos aislantes nunca se pueden cargar eléctricamente.
P.5.- ¿Hacia dónde apunta la aguja de una brújula?
c) Hacia el polo norte magnético.
b) Hacia el polo sur geográfico.
d) Hacia el polo norte geográfico.
P.6.- La fuerza de la gravedad es una fuerza:
a) De contacto e instantánea.
c) A distancia y constante.
b) A distancia e instantánea.
d) De contacto y constante.
P.7.- Si accionamos el freno de un coche tardará más en detenerse si tiene los neumáticos gastados o si
el dibujo es el correcto? ¿por qué?
P.8.- Ordena de mayor a menor las siguientes velocidades: 18 m/min; 4,0 m/s; 12 Km/h; 0,19 Km/min
P.9.- El velocista jamaicano Usain Bolt, sorprendió al mundo en los juegos olímpicos de 2008 al correr los 100 m lisos en 9,69 s. Si
un nadador los hace en 54,0 s. Calcula y compara las velocidades medias de ambos.
P.10.- Si a un muelle de constante elástica 250 N/m se le cuelga un cuerpo de 20 kg de masa ¿cuánto se alarga? ¿qué masa habría
que colgar del extremo del mismo para que se alargue 5 cm?
P.11.- Cuando del extremo libre de un muelle se cuelga un cuerpo de 3 Kg, éste se alarga 5 cm. Determina el valor de la constante elástica del muelle. Sol: 588 N/m
P.12.- Se está probando un motor para un nuevo modelo de coche; éste es capaz de pasar de 0 a 100 Km/h en 7,5 segundos. ¿qué aceleración tiene?
Si el coche tiene una masa de 550 Kg ¿cuál será la fuerza que realiza el motor?
Si el coche tiene una masa de 550 Kg ¿cuál será la fuerza que realiza el motor?
P.13.- Un coche circula por una carretera recta y plana. Si el valor de la F rozamiento es igual que el de la
fuerza que se ejerce hacia delante gracias al motor, indica razonadamente si existirá aceleración.
P.14.- Un coche de 2000 Kg de masa circula por una carretera recta y plana, de tal forma que la fuerza de rozamiento es de 300 N. Si
la fuerza debida al motor es de 550 N.
Halla la fuerza resultante y calcula la aceleración.
Halla la fuerza resultante y calcula la aceleración.
P.15.- Calcula:
a) La fuerza que habrá que ejercer para que un cuerpo de 3 Kg adquiera una aceleración de 2 m/s2
. b) La aceleración que le comunica a un cuerpo de 1,5 Kg de masa, una fuerza constante de 10 N que se ejerce sobre él.
P.16. Un cuerpo de 200 g desliza sobre una superficie sometido a la acción de una fuerza de 2,0 N, paralela al plano,
y que apunta hacia la derecha. Si la fuerza de rozamiento con la superficie vale 1,5 N:
a) ¿Cuál es la aceleración del cuerpo?
b) Qué velocidad llevará al cabo de 2,0 s.
P.17. Si la gravedad de la Tierra es de 9,8 m/s2 y la de la Luna es de 1,6 m/s2 , calcula tu propio peso en la Tierra y en la Luna.
P.18. Sabiendo que la masa de Venus es de 4,87·10^24 Kg y su radio ecuatorial 6052 Km, calcula la fuerza gravitatoria sobre un cuerpo de masa 50 kg.
P.17. Si la gravedad de la Tierra es de 9,8 m/s2 y la de la Luna es de 1,6 m/s2 , calcula tu propio peso en la Tierra y en la Luna.
P.18. Sabiendo que la masa de Venus es de 4,87·10^24 Kg y su radio ecuatorial 6052 Km, calcula la fuerza gravitatoria sobre un cuerpo de masa 50 kg.
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