viernes, 2 de marzo de 2012

Lectura 3: LAS FUERZAS

Piensa en un jugador de fútbol que se dispone a patear el balón con el objetivo de hacer un gol. Para lograrlo, es importante desde luego, la fuerza con la cual lo empuja, si un físico fuera el entrenador de este jugador, diría que la intensidad de la fuerza que el jugador imprime al balón es determinante. También diría que la posición en la cual se coloca el balón, a ras de la cancha y junto al arco, es tan importante (o aún más), Para que al portero le sea más difícil pararlo. Así pues, para ayudarte a hacer goles la próxima vez que juegues fútbol, en este tema estudiaremos los elementos de una fuerza.

ASPECTOS GENERALES

EFECTOS DE UNA FUERZA
Una fuerza es toda acción capaz de:

  • Cambiar el estado de reposo de un cuerpo, es decir poner en movimiento un cuerpo que estaba detenido. Así, para que un carrito que está quieto comience a moverse, hay que empujarlo o halar de él, aplicándole una fuerza

  • Cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, es decir, detener un cuerpo que se encuentra en movimiento. Por ejemplo, para detener el balón que un jugador lanza a la cancha contraria en un partido de voleibol, la defensa tiene que ejercer una fuerza sobre el balón, con sus manos, que logre pararlo.

  • Producir deformaciones en un cuerpo, es decir hacer cambiar la forma de los objetos. Seguramente, habrás observado que al apretar una bomba con las manos, ejercemos sobre ella una fuerza y la deformamos.

CLASES DE FUERZAS
Existen dos clases de fuerzas:

  • Las fuerzas de contacto son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza está en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica dicha fuerza. Por ejemplo, el jugador que golpea con su cabeza un balón, ejerce con su cabeza una fuerza de contacto sobre el balón

  • Las fuerzas a distancia son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza no está en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica dicha fuerza. Por ejemplo, un imán que atrae unas puntillas ejerce una fuerza a distancia sobre éstas, ya que las atrae sin tocarlas

La fuerza de gravedad, es la fuerza que determina la atracción entre los cuerpos (por ejemplo, la atracción que la Tierra ejerce sobre la Luna y la fuerza con que se atraen los planetas), también es una fuerza que actúa a distancia. A esta fuerza se debe el funcionamiento y la manera como está organizado el universo.

Otro fenómeno que se explica por la fuerza de gravedad, es la forma como caen las gotas de agua durante la lluvia.

EL PESO ES UNA FUERZA
El efecto que tiene la gravedad sobre los cuerpos se denomina peso.

El peso no es una propiedad de los cuerpos, sino que es el resultado de la interacción de éstos con la Tierra. En otras palabras, el peso es una fuerza. Dicha fuerza se representa como una flecha que siempre se dirige hacia abajo, hacia el centro de la Tierra.

Comúnmente, las personas confunden los términos peso y masa.

Debes saber entonces, que la masa sí es una propiedad de los cuerpos, y se refiere a la cantidad de materia que posee un cuerpo.

Seguramente te habrás dado cuenta de que los cuerpos que poseen más masa, es decir que poseen más materia en su volumen, son los más pesados. Esto ocurre, porque la fuerza de gravedad es mayor en objetos con mayor masa que en objetos con menor masa. Piensa, por ejemplo, en el esfuerzo que necesitarías para levantar un bloque de concreto.

Con toda segundad, y sin necesidad de intentarlo, tu experiencia te dirá que una almohada o una manzana '"pesan menos". Esto se explica porque una cantidad precisa de plumas o de pulpa de manzana poseen menos masa que la misma cantidad de concreto. Si trasladamos un cuerpo a otro planeta, distinto a la Tierra, aunque su masa se mantenga siempre igual, su peso se modificará de acuerdo con la fuerza de gravedad que este planeta ejerza sobre él. Si, por el contrario, el cuerpo se encuentra en el espacio, libre del efecto de la fuerza de gravedad de cualquier planeta, aunque su masa se mantenga, el valor de su peso será cero.

EL NEWTON. UNIDAD DE FUERZA
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la fuerza se mide en una unidad llamada newton. El símbolo con que se designa esta unidad es N. Un Newton es la fuerza que hay que hacer para levantar del suelo un cuerpo de 102 gramos de masa hasta la altura de 1 metro.

ELEMENTOS DE UNA FUERZA
Sobre un cuerpo se pueden ejercer diferentes fuerzas y cada una de ellas puede producir un efecto distinto sobre él. Piensa, por ejemplo, en lo que ocurre cuando empujas una mesa y en lo que ocurre cuando la golpeas. Aunque en ambos casos aplicas una fuerza sobre ella, el resultado de tu fuerza es diferente. Por esto, para distinguir una fuerza de otra, es necesario conocer los factores que las determinan.

En una fuerza se pueden distinguir los siguientes elementos: la dirección, el sentido, la intensidad y el punto de aplicación.

  • La dirección de una fuerza indica la forma como se ejerce esa fuerza (horizontal, vertical, oblicua.)
  • El sentido de una fuerza indica el lugar hacia el cual se ejerce esa fuerza (hacia arriba, hacia abajo, hacia la izquierda...)
  • La intensidad de una fuerza es el valor de esa fuerza expresada en Newton y se mide por medio de un aparato llamado dinamómetro
  • El punto de aplicación de una fuerza es la parte del cuerpo sobre la cual se ejerce esa fuerza (en su parte superior, en su parte inferior, en uno de sus lados, etc.)
Así, si ejercemos una fuerza de 100 N para levantar un cuerpo del suelo, el punto de aplicación de esa fuerza será la parte del cuerpo que tocamos con la mano, su dirección vertical, su sentido ascendente y su intensidad 100 N.

COMPOSICIÓN DE FUERZAS
Normalmente, sobre un cuerpo actúan dos o más fuerzas al mismo tiempo. La acción combinada de estas fuerzas es equivalente a una sola fuerza. En estos casos se dice que se da una composición de fuerzas.

COMPOSICIÓN DE FUERZAS DE IGUAL DIRECCIÓN

Si ejercemos dos o más fuerzas sobre un mismo punto de aplicación con igual dirección e igual sentido, la fuerza resultante, que en adelante llamaremos R, tiene el mismo sentido de las fuerzas aplicadas y su intensidad es la suma de las intensidades de las mismas Si ejercemos dos fuerzas sobre un mismo punto de aplicación, con igual dirección pero con diferente sentido, la fuerza resultante R tiene el sentido de la fuerza mayor y su intensidad resulta ser la resta de ambas intensidades

COMPOSICIÓN DE FUERZAS DE DIFERENTE DIRECCIÓN
Sobre un mismo cuerpo también pueden actuar al mismo tiempo fuerzas en diferentes direcciones. Para comprender este tipo de composición de fuerzas imaginaremos; la siguiente situación:

¿Hacia dónde se moverá una barca que, por un lado, es arrastrada por la corriente del río (fuerza B) y por otro, intenta ser conducida por los remos hacia la orilla (fuerza A)? En este caso el movimiento de la barca estará determinado por la composición de las dos fuerzas ejercidas sobre ella. La fuerza R, resultante de las fuerzas aplicadas, tiene el mismo punto de aplicación de las dos fuerzas iniciales y su representación gráfica se explica en la figura. Este procedimiento para "sumar” fuerzas puede aplicarse a cualquier otra situación en la que actúen, simultáneamente, fuerzas diferentes.

FUERZAS Y DEFORMACIONES

ELEMENTOS EN LA DEFORMACIÓN DE UN CUERPO
Cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo, éste se puede deformar. La deformación que experimenta dicho cuerpo depende básicamente de tres elementos: la intensidad de la fuerza que se aplica, la superficie sobre la cual se aplica y las características del cuerpo. Cuanto mayor sea la intensidad de la fuerza que se aplica, mayor es la deformación que experimenta el cuerpo. Por ejemplo, un trozo de plastilina se deforma más en cuanto mayor sea la fuerza que se aplique sobre él.

Cuanto mayor sea la superficie sobre la que se aplica la fuerza menor es la deformación que experimenta el cuerpo. Por ejemplo, un bloque de madera se deforma menos si lo golpeamos con un martillo (que si lo hacemos con un hacha, puesto que la superficie golpeada por el martillo es mayor que la superficie golpeada por el hacha.

La forma del cuerpo y la clase de sustancia de que está hecho también influyen en la deformación que éste experimenta cuando se le aplica una fuerza. Por ejemplo, la fuerza que hay que ejercer para romper una tabla de madera es menor que la fuerza que hay que ejercer paré romper un bloque macizo de la misma madera. De igual forma, la fuerza que necesitamos para romper una barra de hierro es mayor que necesitamos para romper una barra de madera del mismo grosor.

FUERZAS Y MOVIMIENTO
Cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo, éste puede cambiar su estado de movimiento o puede alterar su estado de reposo.

LA INERCIA
Todos los cuerpos presentan una resistencia a modificar el estado en que se encuentran, sea de reposo o de movimiento. Por esto decimos que los cuerpos tienen inercia. Por ejemplo, cuando un bus frena brusca mente, los pasajeros se van hacia adelante porque tienden a mantener el movimiento que llevaban hasta ese momento. Por el contrario, cuando el bus arranca bruscamente, los pasajeros se van hacia atrás porque tienden a mantener el reposo que tenían hasta el momento de arrancar.

Decimos entonces, que la inercia es la tendencia que poseen todos los cuerpos a conservar su estado de reposo o de movimiento.

A partir de la observación de los efectos de la inercia, un físico llamado Isaac Newton formuló una ley muy importante para la física. Esta ley se llamó el principio de la inercia y dice que:

Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento con velocidad constante mientras que no actúe sobre él ninguna fuerza exterior.

Según esta ley, una esfera de acero que se mueva en línea recta y con velocidad constante sobre una superficie horizontal, no se detendrá ni cambiará su velocidad mientras que no actúe sobre ella una fuerza capaz de cambiar su estado de movimiento.

FUERZA, MOVIMIENTO Y VELOCIDAD
La intensidad de la fuerza que se aplica a un cuerpo, determina el movimiento que este pueda realizar

  • En el caso de que el cuerpo esté en reposo, éste comenzará a moverse si la fuerza aplicada es lo suficientemente intensa como para conseguirlo. Por ejemplo, para cambiar de lugar un mueble debemos empujarlo con una gran fuerza.

  • En el caso de que el cuerpo esté en movimiento con una determinada velocidad, su velocidad cambiará si la fuerza aplicada es lo suficientemente intensa como para producir el cambio. Así, para detener un cuerpo que se desliza sobre una rampa, es necesario empujar dicho cuerpo en el sentido contrario al de su movimiento: cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo, ocurre un cambio en su velocidad, es decir, se produce una aceleración. La aceleración es positiva cuando la velocidad aumenta y negativa cuando la velocidad disminuye.

FUERZA, MOVIMIENTO Y MASA
El cambio que una fuerza determinada produce sobre la velocidad de un cuerpo depende de las características del cuerpo.

  • Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo que está en reposo, mayor será la fuerza necesaria para moverlo. Así, es mucho más fácil poner en movimiento una silla que un piano.

  • Del mismo modo, cuanto mayor sea la masa de un cuerpo que está en movimiento, mayor será la fuerza necesaria para aumentar o disminuir su velocidad. Así, si aplicamos la misma fuerza durante el mismo tiempo sobre un automóvil y sobre un camión que estén en movimiento, se producirá un cambio mayor en la velocidad del automóvil que en la velocidad del camión.

Taller de lectura 3:
  1. Escriba los tres aspectos que permiten definir una fuerza
  2. ¿Qué son fuerzas de contacto? De un ejemplo
  3. ¿Qué son fuerzas a distancia? De un ejemplo
  4. ¿Qué es la fuerza de gravedad?
  5. ¿A qué se denomina peso?
  6. El peso es una fuerza. ¿Cómo se representa gráficamente dicha fuerza?
  7. ¿Qué diferencias hay entre masa y peso?
  8. ¿Qué pasa con la masa y el peso de un cuerpo si lo trasladamos de un planeta a otro?
  9. ¿Qué pasa con la masa y el peso de un cuerpo si se encuentra en el espacio, libre del efecto de la gravedad?
  10. ¿Cómo se mide la fuerza en el sistema internacional de unidades?
  11. ¿Qué es un Newton y cuál es su símbolo?
  12. ¿Cuáles son los elementos que se pueden distinguir en una fuerza?
  13. Defina cada uno de los cuatro elementos de una fuerza
  14. Copie con su descripción, el siguiente esquema:
  15. Si ejercemos dos o más fuerzas sobre un mismo punto de aplicación con igual dirección e igual sentido, ¿Cómo se halla la fuerza resultante?
  16. Si ejercemos dos o más fuerzas sobre un mismo punto de aplicación con igual dirección pero de sentido opuesto, ¿Cómo se halla la fuerza resultante?
  17. ¿Qué es una fuerza resultante y con qué letra se representa?
  18. Copie los siguientes esquemas:
  19. ¿Por qué decimos que los cuerpos tienen inercia? De un ejemplo
  20. ¿Qué es inercia?
  21. ¿Qué dice el principio de inercia?
  22. La intensidad de la fuerza que se aplica a un cuerpo, determina el movimiento que este pueda realizar. ¿Qué pasará en el caso que el cuerpo esté en reposo? ¿Qué pasará en el caso que el cuerpo esté en movimiento con una determinada velocidad?
  23. Complete las siguientes frases:
    • Cuanto _____ sea la ___ de un cuerpo que está en ______. Mayor será la ______ para moverlo.
    • Cuanto mayor sea la ____ de un ______ que está en movimiento, _____ será la ______ necesaria para ________ o ________ su _________.
  24. Responda las siguientes preguntas con base en el esquema. (Dibuje el esquema)

    1. Si el auto se desplaza gracias a la fuerza F4, y aplicamos simultáneamente la fuerza F1, ¿que ocurre con la velocidad del auto?
    2. ¿Cuáles, de las fuerzas representadas, podemos aplicar para que la velocidad sea máxima?
    3. ¿Qué pasa con la velocidad si aplicamos la fuerza F3?
    4. Si solamente actuara la fuerza F3, ¿hacia dónde se movería el carro?
    5. Si solamente actuaran las fuerzas F1 y F3, ¿Cómo deberían ser estas fuerzas para que el carro se detuviera?
    6. Si F1 < F2 < F4, ¿Qué fuerza se debe aplicar para que la velocidad sea mínima?
    7. Si sobre el vehículo actúan todas las fuerzas representadas, ¿Cómo se hallaría la fuerza resultante?
    8. Si la masa del carro aumentara al doble, ¿Cómo debería cambiar F4 para que la velocidad fuera la misma?
    9. Si la masa del carro disminuyera a la mitad, ¿Cómo debería cambiar F3 para detener el vehículo?
    10. ¿Cuáles de las fuerzas representadas, tienen la misma dirección y sentido?

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