I. ANTES DE EMPEZAR
Antes de comenzar vamos a diferenciar entre dos tipos de magnitudes:
- Escalares: quedan completamente descritas con un valor numérico y una unidad: la masa, el tiempo, la longitud.
Por ejemplo: has comprado dos kilos de naranjas y para definir la masa de naranjas que has comprado solo necesitas el valor numérico (2) y la unidad (kg)
- Vectoriales: además de un valor numérico y unidad, necesitan una dirección y sentido para quedar completamente definidas: la fuerza, la velocidad, la aceleración.
Por ejemplo: Tenemos cuatro pelotas que se mueve a la misma velocidad pero tienen diferentes direcciones y sentidos. La primera se mueve en dirección vertical y sentido ascendente, la segunda en dirección vertical y sentido descendente, la tercera en dirección horizontal y sentido hacia la derecha y la cuarta en dirección horizontal y sentido hacia la izquierda. Como ves, con decir que la pelota se mueve a 10 m/s no queda definida por completo la magnitud velocidad.
Por tanto, la fuerza es una magnitud vectorial, depende de su valor, la dirección y el sentido en que actúa.
2. ¿QUÉ ES LA FUERZA?
Es cualquier acción que al aplicarla sobre un cuerpo, puede lograr cambios en la forma del cuerpo, en su posición y en su movimiento.
Si aplastas una bola de arcilla se deforma, si estiras un muelle se alarga, en ambos casos estás realizando una fuerza y el efecto es una deformación. Cuando empujas una canica sobre la mesa estás realizando una fuerza sobre la misma, la cambias de posición y además estás modificando su velocidad, inicialmente estaba en reposo y al realizar una fuerza sobre ella ahora se mueve con una cierta velocidad.
En el Sistema Internacional la fuerza se mide en newton (N). Y el aparato con el que se miden las fuerzas es el dinamómetro.
3. EFECTO DEFORMADOR DE LAS FUERZAS
Dependiendo de cómo se comporten los cuerpos frente a la deformación pueden ser:
- Rígidos: no se deforman, por ejemplo una piedra
- Elásticos: se deforman cuando actúa la fuerza pero recuperan su forma original cuando esta desaparece. Por ejemplo un resorte
- Plásticos: se deforman cuando actúa la fuerza y no recuperan su forma original cuando esta desaparece, por ejemplo la resina
Si al aplicar una fuerza el cuerpo supera su límite de rotura se rompe.
3.1 La fuerza produce una deformación: Ley de Hooke
Como hemos dicho anteriormente, uno de los efectos de las fuerzas es la deformación de los objetos. Uno de estos objetos son los muelles, que son elementos elásticos.
- Si de un muelle se cuelga un peso que realiza una fuerza F, el muelle se alarga una longitud.
- Cuando se cuelga el doble de peso, el alargamiento es el doble.
- Si se cuelga el triple de peso, el alargamiento es el triple, etc.
Este comportamiento lo resumió́ Robert Hooke en una ley que lleva su nombre: La ley de Hooke
La deformación que se produce en un material elástico al aplicarle una fuerza es proporcional a dicha fuerza.
Donde F es la fuerza que actúa; k es la constante de elasticidad y Δl es el alargamiento que se produce.
Las unidades de K en el SI son N/m. La constante de elasticidad es característica de cada material. Cuanto más grande sea k, más difícil será «estirar» el muelle.
Para medir la fuerza que se está realizando sobre un muelle se utiliza el dinamómetro.
4. LAS FUERZAS Y EL MOVIMIENTO
Otro efecto que pueden causar las fuerzas es modificar el estado de movimiento de los cuerpos. Un objeto se mueve cuando cambia de posición respecto a un sistema de referencia que consideramos inmóvil.
Por ejemplo: si vamos en un coche observamos que nuestros acompañantes no se mueven y que todo lo que nos rodea “retrocede”, pero una persona parada en la calle verá que todas las personas del interior del coche avanzan y que el entorno permanece en reposo. Estas diferencias en la apreciación del movimiento se debe a que los sistemas de referencia usados son distintos, en el primer caso se usó el coche como sistema de referencia y en el segundo la calle.
4.1 ¿Cómo describimos el movimiento de un objeto?
Al objeto que se mueve le llamamos móvil.
El punto P en el que está el móvil en cada momento se denomina posición. Para poder señalar sin confundirnos la posición que ocupa móvil debemos referirla a un punto de referencia que llamamos origen.
La trayectoria es la línea que describe el móvil en su movimiento. Las marcas de los patines en una pista de hielo, indican la trayectoria seguida por el patinador. Las formas de las trayectorias son variadas: rectilíneas, circulares, elípticas, parabólicas, curvilíneas, etc.
La distancia recorrida es el espacio recorrido por un móvil, medido sobre la trayectoria. La unidad del Sistema Internacional en que se mide la distancia es el metro (m)
El desplazamiento es la distancia más corta existente entre la posición inicial y la posición final. La unidad del Sistema Internacional en que se mide el desplazamiento es el metro (m)
4.2 La velocidad
Además de conocer la trayectoria de un objeto también nos interesa saber cómo se mueve de rápido en cada momento. Un coche durante un desplazamiento no siempre puede ir igual de rápido, unas veces va más deprisa y otras más despacio.
La velocidad de un móvil en cada instante es la velocidad instantánea.
Si sabemos cuánto espacio ha recorrido y el tiempo que ha tardado en hacerlo podemos calcular la velocidad media .
4.3 La aceleración
Si un objeto que estaba en reposo comienza a moverse, ¿crees que varía su velocidad?
Es obvio que sí. Antes tenía una velocidad cero y al moverse pasa a tener una velocidad diferente de cero. Decimos entonces que el móvil ha acelerado.
El móvil ha pasado de una velocidad inicia a una velocidad final y lo ha hecho en un tiempo (t)
La aceleración se define como la diferencia entre la velocidad final y la velocidad inicial, dividida por el tiempo que tarda en realizar este cambio de velocidad:
La aceleración en el SI se mide en metros por segundo al cuadro (m/s2)
¿HAY DISTINTOS TIPOS DE MOVIMIENTO?
Podemos comprobar fácilmente que los móviles no siempre se mueven de la misma manera. Una noria no se mueve de la misma manera que un tren, no tienen la misma trayectoria, la noria tiene un movimiento circular y el tren rectilíneo en la mayor parte de su trayecto.
Si se mueve en línea recta diremos que tiene un movimiento rectilíneo, pero si describe un curva su movimiento será́ circular.
Vamos a estudiar tres tipos de movimiento.
5.1 Movimiento rectilíneo uniforme (MRU)
Cuando la trayectoria de un móvil es recta y la velocidad no varía en el tiempo, es decir, se mantiene constante, llamamos al movimiento movimiento rectilíneo uniforme (MRU)
En un movimiento de este tipo se realizan desplazamientos iguales en tiempos iguales y se puede representar gráficamente.
Por ejemplo: Un móvil que se desplaza a 5 m/s, sale desde una posición inicial x0 = 0, en un instante de tiempo t0 = 0 y se mide la posición que ocupa el móvil a diferentes tiempos. Así se representa gráficamente la posición del móvil respecto al tiempo:
Si ahora se representa la velocidad de ese móvil (5 m/s) en función del tiempo, con los mismos tiempos que en el ejemplo anterior, tendremos:
Como se puede ver, la velocidad no varía en el tiempo, es constante.
¿Cómo calcularíamos el espacio que ha recorrido el móvil que va a 5 m/s en un tiempo de 15 segundos?
5.2 Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA)
Cuando la trayectoria del móvil es recta pero la velocidad varía en el tiempo llamamos al movimiento, movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA). Vamos a estudiar este tipo de movimiento cuando la aceleración es constante.
Si la velocidad aumenta con el tiempo se dice que el móvil acelera y se la velocidad disminuye con el tiempo el móvil está frenando y se habla de deceleración o aceleración negativa.
En este tipo de movimiento vamos a representar gráficamente la aceleración en función del tiempo y la velocidad en función del tiempo.
Vamos a usar el ejemplo del ascensor que subía a 3 m/s2
Se puede observar que la aceleración permanece constante
Representamos ahora la velocidad en función del tiempo. Recuerda que conoces la aceleración (3 m/s2), la velocidad inicial (v0=0 m/s) y los tiempos.
Puedes calcular la velocidad a la que va el móvil para cada uno de esos tiempos. Obtenemos las velocidades que se recogen en la tabla:
Como puedes observar, al estar acelerando el móvil con el tiempo, la velocidad es mayor.
5.3 Movimiento circular uniforme (MCU)
Es el que tiene un cuerpo que describe una trayectoria circular con velocidad de valor constante.
6. FUERZAS QUE TIRAN O EMPUJAN
Al inicio de la unidad hemos dicho que las fuerzas son magnitudes vectoriales ya que es necesario conocer su intensidad o módulo (valor numérico en newtons), la dirección (la recta sobre la que se encuentra), el sentido (indica si la fuerza está orientada hacia un lado u otro de la recta) y el punto donde se aplica.
Las fuerzas puede ser ejercidas por contacto o a distancia. Cuando se empuja una mesa hay un fuerza por contacto, pero la Tierra atrae a todos los cuerpos con una fuerza de atracción que se ejerce a distancia.
Si dos o más fuerzas actúan sobre el mismo objeto con el mismo punto de aplicación y la misma dirección, pueden sumarse fácilmente obteniendo la resultante que es otra fuerza que tiene la misma dirección y sentido que las anteriores y su módulo será la suma de los módulos. Si tienen la misma dirección pero sentidos contrarios, sus valores se restan y la fuerza resultante tendrá el sentido de la mayor de ellas.
Si la fuerza que realiza el chico en el primer caso es 15 N y la que realiza la chica es también de 15 N, la fuerza total es la suma de ambas, es decir 30 N. La dirección y el sentido es la misma que las dos fuerzas originales.
Si ahora la fuerza que realiza la chica es de 15 N y la que realiza el chico es de 10 N, la fuerza total será la diferencia entre ambas, es decir 5 N. La dirección será la mismas que las que tenía las fuerzas originales y el sentido el de la mayor, es decir, el bloque se moverá en el sentido en el que empuja la chica que es la que realiza mayor fuerza.
6.1 La fuerza de rozamiento y el movimiento
Cuando un cuerpo se mueve en contacto con otro cuerpo o superficie, aparecen fuerzas de rozamiento que dificultan el movimiento
La fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento, aparece siempre que un cuerpo se mueve en contacto con otro cuerpo o superficie.
Su valor depende del peso del cuerpo que se desplaza y de la rugosidad de las superficies de contacto.
7. FUERZAS EN LA NATURALEZA
En la naturaleza existen distintos tipos de fuerzas la gravitatoria, la magnética y la eléctrica que son las responsables de la mayor parte de los fenómenos que observamos.
Estas son fuerzas de acción a distancia, pues sus efectos se manifiestan sin que los cuerpos lleguen a estar en contacto.
7.1- La fuerza de la gravedad
Newton se encontraba sentado bajo un árbol reflexionando, cuando una manzana cayó a su lado, Newton se sintió́ inspirado y pensó “¿Por qué tiene que caer
la manzana siempre perpendicularmente al suelo? (...) La razón tiene que ser que la Tierra la atrae. Eso fue lo que le contó a su amigo William Stukeley, cuando se sentaron a la sombra de unos manzanos a tomar el te, según cuenta el manuscrito “desclasificado” de la Royal Society de Londres.
La Tierra atrae a los cuerpos que la rodean. Por eso, si los cuerpos se dejan libres por encima de la superficie de la Tierra, caen al suelo.
El peso de un cuerpo es la fuerza de atracción que se ejerce sobre él y lo podemos calcular de la siguiente manera:
donde P es el peso de cuerpo en newtons (N), m es la masa del cuerpo en kilogramos (kg) y g es una constante, la gravedad, cuyo valor es 9,8 m/s2 en la Tierra.
Si un cuerpo está en la Tierra esta le atraerá con una determinada fuerza, pero si está en otro lugar, por ejemplo la Luna, la fuerza con la que será atraído será diferente.
7.2 El magnetismo
Es el poder que presentan determinados cuerpos de atraer algunos metales como el hierro.
Los imanes son cuerpos que presentan esta propiedad. La mayor fuerza de atracción se localiza en los extremos de los imanes. Estas zonas se conocen como polos.
Cada imán tiene dos polos que reciben el nombre de norte (N) y sur (S)
Propiedades de los imanes:
- Si acercamos imanes y los enfrentamos por el mismo polo, los imanes se repelen.
- Si acercamos imanes y los enfrentamos por distinto polo, los imanes se atraen
- Si dividimos un imán podemos observar que sigue manteniendo un polo norte y otro sur, no podemos encontrar un imán con un solo polo
La Tierra es un imán. La brújula
Una brújula es una aguja imantada que gira libremente sobre un eje y señala un punto cercano al polo norte geográfico.
El núcleo de la tierra gira y crea un campo magnético, como si fuese un gigantesco imán que atrae a la brújula
7.3 La electricidad
Entre dos cuerpos con carga eléctrica, aparece una fuerza que actúa a distancia y que dependerá del valor de de sus cargas y de la longitud que las separa. Los cuerpos se atraerán o repelerán dependiendo de que ambos tengan carga del mismo tipo o tipo contrario.
Cómo se electrizan los cuerpos:
