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El movimiento y las fuerzas. Teoría
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1.- EL MOVIMIENTO
La cinemática es la rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos.
El movimiento es el cambio de posición de un cuerpo. El camino que describe un
cuerpo en movimiento se denomina trayectoria y puede ser de son tipos:
Trayectoria rectilínea
Trayectoria curvilínea
Nosotros vamos a estudiar el movimiento rectilíneo. Para ello necesitamos un sistema
de referencia que estará constituido por:
Un eje que indica la dirección que sigue el cuerpo
Un origen que nos dice a partir de qué punto medimos la posición que ocupa el
cuerpo
Un sentido de positivo, es decir, debemos establecer hacia que sentido de
nuestro eje vamos a considerar el desplazamiento positivo.
1.1 Las magnitudes fundamentales del movimiento
En el estudio de los movimientos intervienen las siguientes magnitudes:
La posición: lugar que ocupa el móvil en un instante determinado respecto al origen
del sistema de coordenadas. Es una magnitud vectorial. La posición inicial es
aquella en la que se encuentra el móvil en el instante inicial (t0 = 0) a partir del cual
se estudia su movimiento. Puede coincidir o no con el origen del sistema de
coordenadas. Por su parte, la posición final es aquella en la que se encuentra el
móvil en el instante final del intervalo de tiempo considerado (se expresa
mediante t).
El desplazamiento: es el vector diferencia entre los vectores posición final y
posición inicial. Representa el cambio de posición del móvil. Se expresa:
Desplazamiento = posición final - posición inicial
𝑠 = 𝑠 − 𝑠0
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El desplazamiento es positivo si el móvil se aleja del origen del sistema de
coordenadas y es negativo si se acerca a él.
La distancia (se expresa mediante s): es la longitud que recorre el móvil, medida
sobre la trayectoria. Se expresa en metros. Es una magnitud escalar.
La velocidad (se indica con el símbolo v): expresa la variación de la posición en
función del tiempo. Conocer la rapidez con la que se mueve un cuerpo no es
suficiente; es necesario saber también en qué dirección y en qué sentido se
desplaza. La velocidad, por lo tanto, es una magnitud vectorial. Sus unidades son
m/s.
𝑣 = 𝑠 − 𝑠0
𝑡
.
La aceleración: mide la variación de la velocidad respecto al tiempo. Es una
magnitud vectorial. Se expresa en m/s2.
𝑎 = 𝑣 − 𝑣0
𝑡
Un móvil puede aumentar su velocidad (acelerar), disminuirla (frenar) o cambiar su
dirección (girar). Siempre que la velocidad varía, existe una aceleración.
Simulador de movimiento. Puedes variar los distintos parámetros
Simulador MRU
Tiro vertical y caída libre
Simulador MRU edu+
Simulador edumedia
Text edumedia
Caída libre edumedia
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2.- FUERZAS
Las fuerzas se encuentran presentes a
nuestro alrededor en todo momento.
Cuando empujamos una puerta o cogemos
un objeto, por ejemplo, estamos aplicando
fuerzas.
La fuerza es una acción que un cuerpo ejerce
sobre otro y que modifica el estado de movimiento o reposo, o la forma del objeto
sobre el que se aplica. Si golpeamos una lata, por ejemplo, podemos observar los dos
efectos: se desplazará y, además, se deformará. Según se puedan deformar o no los
cuerpos pueden ser rígidos, elásticos o plásticos.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la fuerza se expresa mediante la
unidad newton (N).
Para definir una fuerza, necesitamos conocer cuál es su intensidad y en qué punto se
aplica, así como su dirección y sentido. Todos estos son los elementos de un vector, es
decir, la fuerza es una magnitud vectorial:
La fuerza es una magnitud vectorial, por tanto, sus elementos son: la dirección, el punto de aplicación, el sentido y la intensidad, que son los elementos de un vector.
Según la forma en que interactúan los cuerpos, las fuerzas que ejercen se clasifican
como sigue:
Por contacto: los cuerpos tienen que estar en contacto para ejercer la fuerza o
recibirla. Cuando chutamos una pelota, nos sentamos en una silla o empujamos una
puerta, ejercemos una fuerza de este tipo. La fuerza de rozamiento, que se opone
al movimiento de un objeto sobre una superficie, es una fuerza por contacto.
A distancia: los cuerpos no están en contacto. Cuando atraemos un objeto de
hierro con un imán o cuando cae un objeto, se produce este tipo de fuerza.
La fuerza gravitatoria es una fuerza a distancia.
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2.1.- LEYES DE NEWTON
¿Quién fue Newton?
Primera: ley de la Inercia
La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, este mantiene su estado de movimiento .
Segunda: Principio fundamental de la dinámica
La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m • a
Tercera: Principio de acción-reacción
La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
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2.2.- LOS SISTEMAS DE FUERZAS
Sobre un cuerpo pueden actuar varias fuerzas a la vez. El conjunto de todas ellas se
conoce como sistema de fuerzas y cada una recibe el nombre de componente del
sistema. En este caso, siempre es posible sustituir las componentes por una única
fuerza que produzca el mismo efecto, la cual recibe el nombre de resultante.
La fuerza resultante indicará en qué dirección y sentido se producirá el efecto de todas
las fuerzas aplicadas a un mismo objeto. Cuando la fuerza resultante es nula, el efecto
producido es equivalente a no aplicar ninguna fuerza. fuerzas colineales
Las fuerzas colineales son aquellas que actúan en la misma dirección, es decir, tienen
la misma recta de acción. Si dos fuerzas colineales actúan en el mismo sentido, la
resultante se calculará como la suma de los módulos o intensidades de las
componentes y tendrá el mismo sentido que ellas:
F1 = 2 N
F2 = 4 N
R = 2 N + 4 N = 6 N
Resultante de un sistema de dos fuerzas colineales del mismo sentido.
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Si, en cambio, las fuerzas tienen sentidos contrarios, la intensidad de la resultante será
igual a la diferencia de los módulos de las componentes y el sentido será el de la
fuerza de mayor intensidad:
F1 = 2 N
F2 = 4 N
R = 4 N ‒ 2 N = 2 N
Resultante de un sistema de dos fuerzas colineales de sentidos contrarios.
2.3.- ¿Qué fuerzas actúan sobre un cuerpo?
PESO
La fuerza gravitatoria es la responsable de que los cuerpos caigan cuando se sueltan o
son lanzados. La existencia de dicha fuerza provoca la aceleración de la gravedad,
cuyo valor al nivel del mar es de 9,81 m/s2.
El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos y su valor depende de la
aceleración de la gravedad. Se calcula:
Donde m es la masa del cuerpo en kilogramos (kg) y g es la aceleración de la gravedad
(9,81 m/s2).
El peso se expresa mediante la unidad newton (N), ya que es una fuerza. Para
comprender la diferencia entre peso y masa puedes visualizar el siguiente video
FUERZA NORMAL:
Cuando un objeto está sobre una superficie, el peso del objeto ejerce una fuerza hacia abajo. También la superficie ejerce una fuerza sobre el objeto (hacia arriba) denominada Fuerza Normal. Por ejemplo, en la figura 2 se muestra un notebook en reposo sobre un escritorio, el notebook no acelera debido a la fuerza de gravedad sobre él porque está sostenido en el escritorio. La fuerza que ejerce hacia arriba el
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escritorio sobre el notebook es la fuerza normal, que impide que el notebook se hunda o caiga y es perpendicular a la superficie del escritorio.
Figura 2: Cuando la superficie del escritorio es horizontal, la normal tiene el mismo módulo y dirección del peso, pero el sentido de los vectores es opuesto.
Figura 3: Si la superficie donde se apoya el notebook es inclinada, las fuerzas normal y de peso no tendrán la misma dirección y el módulo (longitud) de la normal es menor
que el módulo de peso.
FUERZA DE ROZAMIENTO:
Fuerza que se opone al movimiento de un objeto o superficie sobre otra, se produce una fuerza de contacto llamada Fuerza de roce o de fricción y depende del peso del objeto y de la superficie sobre la que se mueve.
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FUERZA ELÁSTICA
La fuerza elástica es la ejercida por objetos tales como resortes, que tienen una
posición normal, fuera de la cual almacena energía potencial y ejercen fuerzas.
La fuerza elástica se calcula como:
F = - k ∙ ΔX
ΔX = Desplazamiento desde la posición normal
k = Constante de elasticidad del resorte
F = Fuerza elástica
3.- Maquinas simples
Una maquina simple es un dispositivo que transforma la fuerza que ejercemos en otra
magnitud o distinta dirección. Vamos a estudiar las más importantes: plano inclinado,
cuña, palanca y polea.
Plano inclinado
El plano inclinado permite levantar una carga mediante una rampa o pendiente. Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes: la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable.
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Cuña
Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie. Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, desarmado, picahielo, cuchillo.
Palanca
Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo
llamado punto de apoyo o fulcro.
La fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se
vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia
Polea
La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que
pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva
aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza,
aplicando una menor, o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. Si consta de
más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos
a los edificios o sacar agua de los pozos.
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4.- Carga eléctrica
4.1.- El origen de la carga eléctrica: los átomos
Todo cuerpo se compone de átomos, cada uno de los cuales posee igual número de electrones y protones.
Los electrones poseen una carga negativa, y los protones una carga positiva. Estas cargas se contrarrestan unas a otras, para que el objeto resulte neutro (no cargado).
El valor de la carga de un electrón y un protón es igual
aunque con signos distintos. Esto, junto al hecho de que,
en estado normal, un átomo tiene los mismos protones
que electronos, hace que la carga total de un átomo sea
cero, es decir sean neutros.
No obstante en algunas ocasiones los electrones pueden desplazarse pasando de un
material a otro. En ese caso, uno de los materiales quedará con un exceso de carga
negativa (ha ganado electrones), y el otro, al que le faltan electrones queda cargado
con carga positiva. Cuando esto sucede en un número suficiente de electrones
podemos percibir sus efectos a nivel macroscópico.
4.2.- Fuerza electrostática
Una propiedad que cumplen todos los cuerpos con carga eléctrica es que entre ellos se
establece una fuerza denominada fuerza electrostática. Esta fuerza hace que los
cuerpos con la misma carga eléctrica se repelan mientras que los que tienen distinta
carga se atraigan.
La fuerza electrostática es más grande cuanto más lejos están los uno de los otros
Igual signo: se repelen Distinto signo: se
atraen
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4.3.-Conductores y aisladores
El fenómeno de la electrización consiste, como ya vimos, en una pérdida o ganancia de electrones. Para que se produzca, los electrones han de tener movilidad.
Existen algunos materiales, como los metales, que tienen la propiedad de permitir el movimiento de cargas eléctricas, y por ello reciben el nombre de conductores eléctricos. En cambio, hay otros, como el vidrio, el plástico, la seda, etc., que impiden el movimiento de cargas eléctricas a través de ellos, y por esto reciben el nombre de aislantes eléctricos.
No podemos olvidar que ningún conductor es ciento por ciento conductor ni que tampoco un material aislante es ciento por ciento aislante. De alguna manera, todos los materiales conductores impiden cierta movilidad de cargas y, por otra parte, todos los materiales aislantes permiten algo de movilidad de cargas.
5.- Magnetismo
El magnetismo es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas
de atracción y repulsión entre algunos materiales.
Ya en la antigua Grecia llamó la atención la existencia de piedra que atraían al hierro y
otros metales, Llamaron a este material magnetita y fue objeto de estudio durante
siglos, tanto en Europa como en Asia.
5.1.- Imanes
A los objetos que presenta la capacidad de atraer acierto metales se les llama imanes.
A los materiales que pueden ser atraídos por imanes se les llama ferromagnéticos. Los
más conocidos son el fierro el níquel, el acero y el cobalto.
Un imán presenta dos polos, llamados norte y sur. Cuando aproximamos dos imanes
pueden suceder dos cosas:
Si se aproximan dos polos iguales, los imanes se repelen
Si se aproximan dos polos distintos, los imanes se atraen
Si el imán puede moverse libremente, tiende a orientarse de forma que su polo sur
apunta al norte y su polo norte apunta al sur. Esto se debe a que la Tierra actúa como
un gigantesco imán con dos polos, norte y sur que se encuentran muy cerca de los
polos geográficos.
Es imposible construir un imán con un solo polo, por mucho que lo dividamos, cada
parte siempre tiene dos polos. La forma de ver la fuerza magnética que genera un
imán es utilizando limaduras de hierro, como se puede ver en la imagen.
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5.2.- Imantación
Los imanes pueden tener origen natural como la magnetita o se pueden fabricar
mediante la imantación. Hay varios tipos:
Imantación por frotación: si frotamos un objeto hecho de un material
ferromagnético con un imán un suficiente número de veces, el objeto adquiere
propiedades magnéticas y se convierte en un nuevo imán.
Electroimanes: Enrollando un cable en torno a una pieza de material
ferromagnético y haciendo que por el circule una corriente eléctrica,
obtendremos un electro imán. Esto es muy útil porque se puede activar o
desactivar la propiedades magnética encendiendo o apagando la corriente
eléctrica.
