EL MOVIMIENTO Y LAS FUERZAS
Punto 1: ¿Por qué se mueven los objetos?
Fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o de producir una deformación en él. En el Si se mide en Newton(N).
Punto 1.1 ¿Cómo responden los materiales a las fuerzas?
Según su comportamiento, hay tres tipos de materiales:
Rígidos:
no se deforman cuando la fuerza actúa sobre ellos.
Elásticos:
se deforman cuando se les aplica una fuerza, y recuperan su forma inicial cuando cesa la fuerza.
Plásticos:
se deforman al aplicar una fuerza, pero recuperan su forma cuando la fuerza cesa, quedando deformados.
Punto 1.2: Ley de Hooke, ¿Cómo se comportan los materiales elásticos?
Ley de Hooke: F=k∙x
Cuanto mayor es la fuerza aplicada, mayor es el alargamiento.
F=Fuerza(N), k=constante elástica(N/m) y x=alargamiento(m)
La constante elástica depende de la naturaleza de cada muelle, y se puede calcular:
K=F/x x=L-Lo L=longitud final, Lo=longitud inicial
Punto 2: ¿Cómo se miden y se representan las fuerzas?
Punto 2.1 El dinamómetro
Es un instrumento que consta de un muelle de constante elástica conocida, que lleva asociada una escala (calibrada previamente en Newton) que nos permite medir fuerzas.
Punto 2.2 ¿Cómo representamos las fuerzas?
Las fuerzas se representan con 4 elementos (un vector):
Punto de aplicación:
donde se aplica la fuerza
El valor numérico:
indica la cantidad de fuerza.
La dirección:
indica si es horizontal, vertical o inclinado.
El sentido:
indica hacia donde se dirige.
Punto 2.3 Las fuerzas suman, restan o se componen
Misma dirección y sentido, se suman. → → F=6+10=16N
Misma dirección y distinto sentido, se restan. ↔ F=6-2=4N
Si forman 90º, se hace Pitágoras: ↑↗ F=√6²+8²=√ 100=10N
Punto 4: ¿Qué relación existe entre las fuerzas y el cambio de estado de movimiento de un cuerpo?
Punto 4.1: Primera Ley de Newton
«Todo cuerpo permanece en reposo o con movimiento rectilíneo a la velocidad constante si sobre él no actúa ninguna fuerza. A esta propiedad de los cuerpos la llamamos inercia«
Si un cuerpo está en reposo, no se moverá si no actúan fuerzas, o si la resultante es nula. De igual forma, si está en movimiento, seguirá con dicho movimiento rectilíneo y uniforme. Ejemplo: cuando estamos en un coche y frena o acelera, o bien tomamos una curva, podemos apreciar dicha inercia.
Punto 4.2: Segunda Ley de Newton
«La fuerza que actúa sobre un cuerpo y la aceleración que le produce son directamente proporcionales, y la masa es la constante de proporcionalidad»
F=m∙a → m=F/a → a=F/m F=fuerza(N), m=masa(kg) y a=aceleración(m/s²)
La fuerza aplicada y la aceleración producida tienen siempre la misma dirección y sentido. La fuerza se mide en Newton, que es la fuerza necesaria para que un cuerpo de 1kg adquiera una aceleración de 1m/s² → 1N=1kg∙m/s²
Punto 5: ¿Por qué caen los cuerpos? La fuerza peso
El peso es la responsable del alargamiento de los muelles, la caída libre de los cuerpos, etc.. Galileo Galilei fue el primero en demostrar que (sin rozamiento del aire) todos los cuerpos caen en la Tierra con la misma aceleración, g=9’8m/s², independientemente de la masa.
El peso de un cuerpo es P=m∙ g → m=P/g → g=P/m P=peso(N), m=masa(kg) y g=gravedad(m/s²)
Punto 6: Las fuerzas se presentan por parejas. La tercera Ley de Newton
«Cuando dos cuerpos interaccionan, las fuerzas que ejercen cada cuerpo sobre el otro tiene idéntico módulo y dirección, pero sentidos opuestos. A una de estas dos fuerzas las llamamos acción y a la otra reacción» Ejemplo: dos patinadores, al golpear un objeto, cuando hay un choque, etc… Las fuerzas acción y reacción nunca se anclan entre sí, ya que actúan en cuerpos diferentes.
Punto 6.1: La fuerza normal
La fuerza normal aparece sobre un cuerpo que esté apoyado en una superficie. Siempre es perpendicular a dicha superficie. En una superficie horizontal, el peso es igual a la normal. N=P=m∙g. En un plano horizontal, la fuerza normal (N) es la que equilibra el peso del cuerpo que está apoyado sobre el plano. (P)
Punto 7: Camino, luego hay fuerza de rozamiento
La fuerza de rozamiento aparece en la superficie de contacto entre dos cuerpos cuando uno de ellos se mueve (o trata de moverse) sobre el otro. Su punto de aplicación está en el centro de gravedad del cuerpo, la dirección es paralela a la superficie de contacto y sentido contrario al movimiento.
Siempre es una fuerza frenado. Para que un cuerpo inicie el movimiento, la fuerza aplicada debe ser mayor que lo de movimiento.
Punto 7.1: ¿Qué factores influyen en la fuerza de rozamiento?
Los factores que influyen son:
Tamaño de la superficie de contacto:
es independiente, no varía con la superficie.
Peso de los objetos:
cuanto mayor es el peso, mayor es la fuerza de rozamiento.
Materiales en contacto:
depende de la naturaleza de las superficies.
Efectos positivos:
Permite el movimiento de personas y animales.
Hace posible la circulación de vehículos y que no se salgan en las curvas.
Evita que los cuerpos se muevan indefinidamente.
Permite encender las cerillas y mecheros, así como escribir con un lápiz.
Efectos negativos:
Produce sobrecalentamiento y desgaste de las piezas de las máquinas.
Requiere de un mayor consumo de las máquinas.
Origina desgaste de cartílagos, dientes y huesos.
Causa desgaste de nuestro calzado, neumáticos de vehículos, etc…
Provoca erosión en rocas y piedras.
EL MOVIMIENTO Y LAS FUERZAS
Punto 1.2 ¿Cómo se mueven los planetas? Kepler y las órbitas elípticas
En 1969, Kepler propuso que las órbitas eran elípticas en lugar de circulares, formulando tres leyes:
Las órbitas de los planetas es una elipse, en uno de cuyos focos está el Sol.
Los planetas se mueven con mayor o menor rapidez, según se hallan más o menos próximos al Sol, respectivamente.
El periodo de traslación de un planeta está relacionado con la distancia al Sol. En el periodo va más rápido que en el afelio.
Punto 2; Ley de Gravitación Universal
La fuerza responsable de que todos los planetas giren alrededor del Sol, y la Luna sobre la Tierra, es la fuerza de la gravedad.
Así como de que los cuerpos cercanos a la superficie terrestre caigan sobre ella.
Ley de gravitación universal, anunciada por Isaac Newton: F=G∙M∙m/r² G=6’67∙10−₁₁ N∙m²/kg constante de gravitación universal.
«La fuerza de atracción entre dos cuerpos siempre es directamente proporcional al producto de sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa». Siempre está aplicada en el centro de los cuerpos, la dirección es la recta que una dichos cuerpos y sentido atractivo.
Punto 3: ¿Con qué aceleración caen los cuerpos?
La aceleración con la que cae un cuerpo en caída libre, se puede calcular: g=G∙M/R² G=6’67∙10−₁₁ N∙m²/kg
M=masa del planeta(kg) y R= distancia desde el centro del planeta.
Cuanto mayor sea la masa, mayor es el valor de la «g». En la superficie terrestre es g=9’8m/s².
¿Caen todos los cuerpos con la misma aceleración?
Como podemos comprobar, la aceleración de la gravedad (g) solo depende de la masa del planeta y de la distancia, así que es independiente de la masa del objeto que cae. Por lo tanto, si dejamos caer desde la primera altura un cuerpo de 10kg y otro de 1kg, ambos llegan al suelo al mismo tiempo y con la misma velocidad.
¿Cuánto vale la aceleración de la gravedad en otros lugares del universo?
El valor de la gravedad en otros planetas es distinto, ya que poseen distinta masa y radio.
Se utiliza la misma fórmula anterior, pero con los datos del planeta. Nota: «La masa de un cuerpo siempre es la misma,» lo que si cambia es el peso, pero depende de la gravedad.
Punto 4: ¿Por qué la luna describe un movimiento circular alrededor de la Tierra?
La Luna describe un movimiento circular alrededor de la tierra con velocidad constante, pero donde si cambia su dirección y sentido. La fuerza que origina dicho cambio de dirección y sentido (y no de valor numérico) en la velocidad, se denomina FUERZA CENTRÍPETA. La fuerza centrípeta siempre está dirigida hacia el centro de la circunferencia.
La fuerza centrípeta que obliga a la Luna a describir un movimiento circular alrededor de la Tierra, es la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre la Luna. De igual forma, los planetas giran alrededor del Sol, debido a la fuerza gravitatoria con la que el Sol atrae a dichos planetas.