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FUERZAS.
EFECTOS QUE PRODUCEN |
| Las palabras que usamos en el lenguaje cotidiano no
siempre tienen el mismo significado que le damos en el campo de la
ciencia. Eso pasa con la palabra fuerza. Cuando decimos en la vida
cotidiana que algo tiene mucha fuerza o que es muy fuerte lo asociamos
más al concepto físico de energía.
¿Qué es la fuerza? A veces las fuerza se notan, por ejemplo cuando
hay una deformación, cuando provocan un movimiento. Pero otras veces no
se notan, cuando ponemos la mesa, colocamos platos, vasos y cubiertos
sobra la mesa, no vemos las fuerzas que se establecen entre estos
objetos y la mesa, pero existen.
¿Quieres saber si hay una fuerza? Pues piensa si hay una
interacción entre dos cuerpos. Si hay interacción entre dos cuerpos
seguro que hay una fuerza. ¿Interacciona el plato con la mesa?, pues
entonces hay fuerza. ¿Cómo saber si el plato interacciona con la mesa?
Imagina que desapareciera la mesa por arte de magia, que pasaría con el
plato, ah! pues si pasa algo es que la mesa interacciona con el plato.
Podemos decir que las fuerzas ponen de manifiesto la interacción
entre los cuerpos.
Cuando se clasifican las fuerzas a veces las dividimos en
fuerzas por
contacto y fuerzas a distancia. Dar una patada a un balón sería una
fuerza por contacto y la atracción gravitatoria que hace que el balón
vuelva al suelo serías una fuerza a distancia. En realidad todas las
fuerzas son fuerzas a distancia, las podríamos dividir en fuerzas a
pequeña distancia y a gran distancia.
¿Cómo podemos detectar las fuerzas? Ya vemos que no es fácil a
veces. Tenemos que fijarnos en los efectos que producen las fuerzas
sobre los cuerpos y estos son sólo tres:
- Las fuerzas producen cambios en el movimiento
- Las fuerzas producen deformaciones
- Las fuerzas mantienen a los cuerpos en equilibrio
Si detectamos alguno de estos efectos es que estamos ante unas
fuerzas.
Las fuerzas son más curiosas todavía, nunca aparecen solas,
aparecen a pares, de dos en dos, curioso ¿no?
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ESTUDIO
DE UN RESORTE |
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Uno de los efectos de las fuerzas sobre los cuerpos es producir
deformaciones.
Fíjate como se deforma una pelota de tenis en el momento del saque:
Hay deformaciones que no las percibimos de tan rápidas que son, pero
ocurren.
Una deformación más fácil de ver es la que sufre una goma elástica o
un resorte o muelle cuando los estiramos. Su estudio nos va a permitir un
método para medir las fuerzas.
Observa esta simulación de la Universidad de Colorado.
Podemos realizar varios experimentos para saber más de los resortes, y de
las fuerzas.
1º Experimento: En Estiramiento, marca
Longitud sin Estirar y Posición de Equilibrio. Coloca la
regla en la línea de Longitud sin Estirar. Comprueba que cuanto mayor es
la masa que cuelga mayor es el alargamiento del resorte. ¿Si la masa se
duplica, se duplica el alargamiento? Sí, entonces son magnitudes
directamente proporcionales. Podemos usar una proporción.
2º Experimento: En Estiramiento, marca
Longitud sin Estirar y Posición de Equilibrio. Coloca la
regla en la línea de Longitud sin Estirar. Escoge la Fuerza del
resorte 1 que quieras, no la cambies. Haz una tabla de valores
con las masas, de 50g, 100g y 250g y los alargamientos del resorte en
centímetros. Representa en una gráfica las masas en ordenadas y los
alargamientos en abscisas. Utiliza la gráfica para calcular las masas roja,
azul y verde.
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MEDIDA
Y REPRESENTACIÓN DE UNA FUERZA |
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Las fuerzas no dependen sólo de su valor numérico,
dependen de la dirección y sentido en que hagamos la fuerza, eso nos
indica que estamos ante una magnitud vectorial. Por tanto para definir
una fuerza debemos hablar de su origen, su módulo, su dirección y su
sentido. El origen lo ponemos en el centro del cuerpo o donde hacemos
fuerza, el módulo es el valor numérico de la fuerza con su unidad, La
dirección es la recta sobre la que hacemos fuerza, y el sentido nos indica
hacia que extremo de la recta hacemos fuerza.
Las fuerzas las medimos en newtons, N. Una fuerza de un
newton equivale
aproximadamente al peso de unos 100g.
Para medir las fuerzas usaremos el dinamómetro que aprovecha la
propiedad que tienen los resortes de deformarse por acción de una fuerza.
Cuando hacemos varias fuerzas a la vez sobre un cuerpo podemos sumarlas,
la fuerza suma, o fuerza resultante, produce el mismo efecto que las
fuerzas en conjunto. Esta suma no es aritmética, es una suma geométrica ya
que las fuerzas son vectores. Son magnitudes que dependen de la dirección,
fíjate en un futbolista que va a tirar un penalti, tiene que pensar en qué
dirección debe darle al balón para conseguir que el portero no lo pare.
Para comprobar como se suman fuerzas nos ayudamos de
esta simulación:
1º Experimento: En el apartado Fuerza neta,
marca Suma de Fuerzas, Valores y Rapidez. Coloca un
sólo hombre a tirar del carro, comprueba que la suma de fuerzas es igual a
la fuerza que hace el hombre, y que la velocidad aumenta.
2º Experimento: En el apartado Fuerza neta, marca Suma de
Fuerzas, Valores y Rapidez. Coloca hombres de misma fuerza
a cada lado del carro, ¿consiguen mover el carro? ¿cuánto vale la suma de
fuerzas en este caso? ¿cómo varía la velocidad? 3º
Experimento: En el apartado Fuerza neta, marca Suma de Fuerzas,
Valores y Rapidez. Coloca hombres de distinta fuerza a cada
lado del carro, ¿consiguen mover el carro? ¿cuánto vale la suma de fuerzas
en este caso? ¿cómo varía la velocidad?
Comprobamos que para sumar fuerzas, si estas tienen
el mismo sentido se suman, pero si tienen sentidos contrarios se restan, y
la suma tiene el sentido de la fuerza mayor.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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FUERZAS
Y DEFORMACIONES |
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Vamos a intentar comprobar cuál es la relación que hay entre la
deformación que sufre un resorte y la fuerza que hacemos sobre el mismo.
Nos vamos a ayudar de la siguiente simulación de la Universidad de
Colorado.
1º experimento: En el apartado Introducción marca
Fuerza aplicada, Desplazamiento
y Valores. Estira el resorte, comprueba que cuanto mayor es la fuerza que se
aplica mayor es la elongación del resorte, es decir, lo que se alarga a
partir de la posición de equilibrio. Puedes señalarla marcando Posición
de equilibrio.
2º experimento: En este mismo apartado de Introducción aplica
diferentes fuerzas sobre el resorte. Haz una tabla de valores con los
valores de la fuerza y con el valor de la elongación. Representa estos
valores en una gráfica. Comprueba que la grafica es una recta, que
conocemos como función lineal.
3º experimento: En este mismo apartado de Introducción marca en
dos resortes. En un resorte aplica una fuerza y en el otro el doble de
fuerza, comprueba que la elongación es doble donde se hizo el doble de
fuerza. Por tanto comprobamos que la elongación es directamente
proporcional a la fuerza.
Esto lo representamos con la siguiente expresión:
Esta expresión se conoce como ley de Hooke, y nos dice que
las deformaciones que sufren los resortes son proporcionales a las
fuerzas.
k es la constante de recuperación del resorte, depende del material y
de como esté construido, y sus unidades S.I. son N/m
4º experimento: En el mismo apartado de Introducción,
calcula la constante de recuperación del resorte utilizando
la ley de Hooke y comprueba que da el mismo valor que aparece en la
simulación.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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FUERZAS
Y MOVIMIENTOS |
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Sabemos que cuando hacemos fuerza sobre un cuerpo podemos moverlo, aumentar
su velocidad o frenarlo.
Nos vamos a ayudar de la siguiente simulación de la Universidad de
Colorado.
1º experimento: En el apartado Movimiento marca Fuerzas,
Valores,
Masas y Velocidad. Aplica un fuerza constante y observa que pasa con la
velocidad.
2º experimento: En este mismo apartado, marca Fuerzas, Valores,
Masas y
Velocidad. Acerca con el ratón el hombre a la caja hasta que aplique
cierta fuerza, observa que la velocidad aumenta. Luego suelta el ratón para
que el hombre deje de hacer fuerza, ¿qué ocurre? Observamos que la velocidad
deja de aumentar, se mantiene constante.
3º experimento: En este mismo apartado, marca Fuerzas, Valores,
Masas y
Velocidad. Mueve el cursor azul de fuerza aplicada hacia la derecha, el
cuerpo se mueve con velocidades crecientes. Luego mueve el cursor hacia la
izquierda, hacia las velocidades negativas, observa que la velocidad
disminuye.
Cuando aplicamos una fuerza sobre un cuerpo, en ausencia de rozamientos, aumentamos su velocidad. Si
un cuerpo en movimiento experimenta una fuerza en sentido contrario al
movimiento se frena.
Observa como se aplica esto en el deporte del curling:
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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