Las fuerzas de la naturaleza, de acuerdo a su origen y características, se clasifican en cuatro:

Transcripción

1 Leyes de Newton. Como vimos en el bloque 2, todo el Universo se encuentra en constante movimiento, y la cinemática se encarga de estudiar el desplazamiento, la velocidad, la aceleración y el tiempo transcurrido en cualquier movimiento. En todos estos casos, no nos hemos preguntado las causas de dichos movimientos. En este bloque, abordaremos algunos aspectos básicos de la dinámica, que como sabemos, analiza las causas que originan el movimiento de los cuerpos. Sabemos que una manzana cae con cierta aceleración y podemos calcular su velocidad y altura en cualquier tiempo que deseemos, pero por qué cae la manzana? Cuál es la causa de su movimiento? Qué sucede al patear un balón de fútbol, para que éste se mueva? Sucede algo similar cuando el portero detiene el balón? En Física, a la causa del movimiento de un objeto se le llama fuerza. Para que un objeto se mueva, hay que aplicarle una fuerza. Pero también para detenerlo hay que aplicar una fuerza. Más aún, si el objeto ya lleva cierta velocidad y la incrementamos o la disminuimos, también actúa una fuerza. Como vemos, siempre que hay un cambio en la velocidad, es porque se aplica una fuerza, es decir, la aceleración se produce por la acción de una fuerza. Más adelante veremos cómo podemos calcular la aceleración producida por una fuerza. No siempre las fuerzas producen un cambio en el movimiento. Si hacemos un puente con una tabla delgada de madera y nos paramos en medio de ella, la tabla no se mueve, pero se dobla. Entonces, otro de los efectos de una fuerza es la deformación de un objeto. Si estiramos un resorte, con una fuerza, no se mueve, pero se deforma. Podemos empujar una pared de concreto, con todas nuestras fuerzas y muy probablemente no se moverá y, aunque no notamos una deformación, existe pero a nivel microscópico. Otra característica importante de las fuerzas es que involucran por lo menos a dos cuerpos, por ejemplo: el futbolista y el balón, la manzana y la tierra. Entonces las fuerzas son interacciones entre dos o más cuerpos. En los casos como el del futbolista, que existe contacto físico entre el que ejerce la fuerza y el que la recibe, las fuerzas se llaman fuerzas de contacto. La mayoría de las fuerzas que vemos a diario son de contacto: empujar un objeto, abrir una puerta, levantar una caja, etc. En los casos como el de la manzana que cae, en que los dos cuerpos interactúan sin que exista contacto entre ellos, las fuerzas se llaman fuerzas de acción a distancia. Otros ejemplos de fuerzas de acción a distancia son: un imán que atrae un clavo; un peine de plástico, usado en cabello seco, que atrae pequeños pedazos de papel. Fuerzas fundamentales. Las fuerzas de la naturaleza, de acuerdo a su origen y características, se clasifican en cuatro: 1. Fuerza gravitacional. Se produce debido a la atracción que experimentan cualquier par de objetos en el Universo, en función de su masa y la distancia que los separa. 2. Fuerza electromagnética. Es la fuerza que mantiene unidos a los átomos y moléculas de cualquier sustancia. Se producen por medio de las cargas eléctricas. Esta fuerza es más grande que la gravitatoria. 3. Fuerza nuclear fuerte. Es la que mantiene unidos los componentes del núcleo atómico y se cree que son producidas por unas partículas llamadas mesones. Esta fuerza en más fuerte que la electromagnética y tiene muy corto alcance. 4. Fuerza Nuclear débil. Se presenta en partículas subatómicas durante algunos procesos de descomposición radiactivos y es más fuerte que la fuerza gravitacional, pero más débiles que la electromagnética. 160 COMPRENDE LA UTILIDAD PRÁCTICA DE LAS LEYES DEL MOVIMIENTO DE ISAAC NEWTON

2 Si alguien nos pide que empujemos una silla, inmediatamente preguntamos hacia dónde?, es decir, en qué dirección? Por lo tanto, la fuerza es una cantidad física F de carácter vectorial, es decir, tiene magnitud, dirección y sentido y se representa gráficamente por medio de una flecha. Sobre un cuerpo pueden actuar una o más fuerzas. Si se hace la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre un objeto, obtendremos la fuerza resultante o fuerza neta. Puede darse el caso de que al sumar las fuerzas sobre un objeto, resulte una fuerza neta igual a cero, por ejemplo, cuando una persona empuja una caja hacia la derecha y otra persona empuja la misma caja hacia la izquierda, con una fuerza de la misma magnitud. En estos casos, decimos que las fuerzas están balanceadas, es decir, contrarrestadas, o lo que es lo mismo, la fuerza neta es igual a cero. Una fuerza es una cantidad vectorial que, ejercida por un cuerpo sobre otro, le produce cambios en su estado de movimiento o en su forma Primera ley de Newton. El trabajo de Galileo, sobre la caída de los cuerpos, fue sistematizado por Isaac Newton, dando como resultado tres generalizaciones acerca del movimiento, las cuales son conocidas comúnmente como Las Tres Leyes del Movimiento, de Newton. La primera ley se puede enunciar de la siguiente manera: Un cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo a velocidad constante, a menos que actúe sobre él una fuerza externa no balanceada. Como se puede ver, esta primera ley es contraria a la suposición aristotélica de que los objetos tienden a moverse hacia su lugar natural. El punto de vista newtoniano es que los cuerpos no tienen un lugar natural. Siempre que un objeto esté inmóvil, sin que actúe ninguna fuerza sobre él, el objeto seguirá inmóvil, o si el objeto se encuentra en movimiento, sin que actúe ninguna fuerza sobre él, permanecerá en movimiento eternamente sin detenerse jamás. Esta tendencia de mantenerse en movimiento (o inmóvil) si no es que aparece una fuerza, puede verse como una especie de flojera o falta de deseo de cambiar. Por eso, a esta primera ley también se le llama el principio de la inercia (del latín inertia: incapacidad, inhabilidad, inacción, pereza, desidia). Al hábito de atribuir motivaciones humanas a los objetos inanimados se le llama personificación. No es un buen hábito en el ámbito científico pero es muy común. A primera vista, el principio de inercia no parece tan evidente como la visión aristotélica del lugar natural. Podemos ver con nuestros propios ojos que los objetos que se mueven, en realidad se van deteniendo, aun cuando, por lo que alcanzamos a ver, no hay nada que los pare. Asimismo, si dejamos caer libremente una piedra, vemos que se mueve y va incrementando su velocidad, aunque aparentemente no hay nada que la hiciera moverse. Si el principio de inercia ha de ser válido, debemos admitir la presencia de fuerzas sutiles, cuya existencia no es muy obvia. BLOQUE 3 161

3 Por ejemplo, si le damos un empujón a un cubo de madera por una superficie de vitropiso, veremos que se mueve en línea recta, pero su velocidad disminuirá y se parará. Si en lugar de un cubo de madera, deslizamos un cubo de hielo, viajará en línea recta también, pero llegará más lejos, hasta que se detiene. Si experimentamos más, veremos que entre más rugosas sean las superficies en contacto, el objeto se detendrá más rápidamente. Parecería que los pequeños desniveles de la superficie rugosa se encajan en los diminutos desniveles de la superficie del objeto que se desliza y lo van frenando. Este encaje de desniveles contra desniveles produce lo que se llama fricción (a partir de una palabra latina que significa "rozamiento"), y la fricción actúa como una fuerza que va frenando el movimiento del objeto. Cuanto menor sea la fuerza de fricción, más lentamente disminuirá la velocidad del objeto. Sobre una superficie muy suave, como la de hielo, la fricción es tan baja que un objeto viajaría grandes distancias. Si uno pudiera imaginar una superficie horizontal sin ninguna fricción, el objeto viajaría en una línea recta a una velocidad constante para siempre. Por lo tanto, si queremos aplicar el principio newtoniano de la inercia en casos donde no actúe ninguna fuerza, es válido sólo en un mundo ideal imaginario en el que no existen fuerzas que interfieran: sin fricción, sin resistencia del aire. Pero podemos aplicar el principio de la inercia en el mundo cotidiano, lleno de fuerzas, siempre que consideremos una de las llamadas condiciones de equilibrio: el equilibrio traslacional. Si la suma vectorial de todas las fuerzas actuando sobre un cuerpo es igual a cero, tenemos una situación de equilibrio traslacional, es decir, la fuerza resultante o fuerza neta es igual a cero, por lo que la aceleración será también cero y la velocidad no cambiará. Por ejemplo, si un auto viaja en línea recta a velocidad constante (misma magnitud, misma dirección), entonces no hay aceleración y la fuerza neta es igual a cero. Existen muchas fuerzas actuando sobre el auto: su peso, la fuerza del suelo que lo sostiene, la fuerza del motor que lo hace correr, la fuerza de fricción que intenta detenerlo, la fricción del aire, etc., pero si va a velocidad constante, no hay fuerza neta y por lo tanto podemos decir que la primera ley del movimiento se está cumpliendo: continuará a velocidad constante hasta que las fuerzas se desequilibren (se acabó el combustible, chocó, etc). A continuación, consideremos una piedra que sostenemos en el aire. Está en reposo, pero en el instante en que la soltamos, se empieza a mover. Claramente, debe haber alguna fuerza que la hace mover, ya que el principio de inercia exige que, en ausencia de una fuerza deba permanecer en reposo. Ya que el movimiento de la piedra, si sólo se deja caer, es siempre en la dirección de la Tierra, la fuerza debe ser ejercida en esa dirección. Dado que a la propiedad que hace que una piedra caiga, durante mucho tiempo se le había conocido como "gravedad", era natural llamar a la fuerza que produjo este movimiento, fuerza gravitacional o fuerza de gravedad. Más adelante trataremos un poco más ampliamente las fuerzas de fricción y la fuerza de gravedad. Masa. La primera ley de Newton explica el concepto de una fuerza, pero algo es necesario para ayudarnos a medir la intensidad de una fuerza. Si definimos una fuerza como algo que produc e una aceleración, parecería lógico medir el tamaño de una fuerza por el tamaño de la aceleración que trae consigo. Cuando nos restringimos a un cuerpo en especial, por ejemplo una pelota de baloncesto, esto tiene sentido. Si empujamos el balón a lo largo del suelo con una fuerza constante, se mueve cada vez más rápidamente, y después de diez segundos, se mueve con una velocidad de, digamos, 2 m/s. Su aceleración es: 2 m/s, dividido por 10 segundos, es decir, 0.2 m/s 2. Si empezamos desde cero y no empujamos tanto, al final de diez segundos puede ser que el balón se mueva a sólo 1 m/s; por tanto, su aceleración será 0.1 m/s 2. Puesto que la aceleración es dos veces más grande en el primer caso, parece razonable suponer que la fuerza fue dos veces más grande en el primer caso que en el segundo. Pero si se aplican las mismas fuerzas a una bala de cañón sólida en lugar de una pelota de baloncesto, la bala no experimentará algo como las aceleraciones señaladas anteriormente. Bien podría uno necesitar toda la fuerza que pueda ejercer para que la bala de cañón apenas se mueva. 162 COMPRENDE LA UTILIDAD PRÁCTICA DE LAS LEYES DEL MOVIMIENTO DE ISAAC NEWTON

4 De nuevo, cuando un balón de fútbol rueda a 2 m/s, uno puede detenerlo fácilmente. El cambio de velocidad de 2 m/s a 0 m/s requiere una fuerza; y uno se siente capaz de ejercer la fuerza suficiente para detener el balón. O puede uno patear el balón en pleno aire y causar que cambie su dirección. Una bala de cañón moviéndose a 2 m/s, sin embargo, sólo puede ser detenida con un gran esfuerzo, y s i se le patea en pleno vuelo, cambiará su dirección por sólo una pequeña cantidad. Una bala de cañón, en otras palabras, se comporta como si poseyera más inercia que una pelota de baloncesto y por lo tanto requiere proporcionalmente más fuerza para la producción de una aceleración dada. Newton utiliza la palabra masa para indicar la cantidad de inercia poseída por el cuerpo, en su segunda ley del movimiento. Notas: BLOQUE 3 163

5 Actividad: 3 En binas, responde a las siguientes preguntas: 1. Qué efectos producen las fuerzas sobre los objetos? 2. Elabora una tabla con las cuatro fuerzas fundamentales, indicando las diferencias entre ellas y dibujando un ejemplo para cada una. 164 COMPRENDE LA UTILIDAD PRÁCTICA DE LAS LEYES DEL MOVIMIENTO DE ISAAC NEWTON

6 Actividad: 3 (continuación) 3. Por qué 1000 átomos de hierro tienen más masa que 1000 átomos de hidrógeno? 4. A qué se le llama fuerza neta? Evaluación Actividad: 3 Producto: Cuestionario y tabla de recuperación. Puntaje: Saberes Conceptual Procedimental Actitudinal Reconoce el significado de la fuerza y de la inercia en Física. Autoevaluación Distingue los conceptos sobre la fuerza y la inercia. Con esmero resuelve el cuestionario. C MC NC Calificación otorgada por el docente BLOQUE 3 165