LAS LEYES DE NEWTON EN NUESTRO PLANETA TIERRA

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1 LAS LEYES DE NEWTON EN NUESTRO PLANETA TIERRA CARMEN MATIAS CARMONA Docente- Autora 1

2 INDICE INTRODUCCION 3 CONTENIDO 4 LA FUERZA 4 Fuerzas de la naturaleza 4 Fuerza gravitatoria 4 Fuerza electromagnética 5 Fuerza nuclear fuerte 5 Fuerza nuclear débil 6 Como se miden las fuerzas 6 PRIMERA LEY DE NEWTON 7 Algunas fuerzas comunes 8 El peso de los cuerpos 8 Fuerza normal 9 La fuerza de tensión 10 SEGUNDA LEY DE NEWTON 10 La fuerza de rozamiento 12 TERCERA LEY DE NEWTON 13 ANEXO I Lectura- La primera ley de Newton 14 ANEXO II Lectura- La segunda ley de Newton 16 ANEXO III Lectura- La Tercera Ley De Newton 18 BIBLIOGRAFIA 19 2

3 INTRODUCCIÓN Seguramente alguna vez te habrás preguntado, Qué mantiene un edificio en equilibrio?, qué hace que un objeto acelere o desacelere?, o, cómo es el movimiento de una nave espacial cuando se desplaza por el espacio interplanetario? Todas las situaciones anteriormente mencionadas nos sugieren la idea de movimiento, cambio de posición o de equilibrio de los cuerpos con relación a un sistema de referencia, por la acción de factores que hacen que los cuerpos se muevan, pero sean absolutamente invisibles. Estos factores denominados fuerza, no sólo permiten el movimiento de los cuerpos; también pueden llegar a deformarlos, como ocurre cuando se aplasta una esponja. A lo largo de este modulo trabajaremos las tres leyes de newton: LEY DE INERCIA, LEY DEL MOVIMIENTO y LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN que fue enunciado por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y experimentos cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más básicas. La demostración de su validez radica en sus predicciones... La validez de esas predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante más de dos siglos. 3

4 CONTENIDOS LA FUERZA Es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. Fuerzas de la naturaleza Fuerza gravitatoria Todos los cuerpos ejercen entre sí una fuerza de atracción por tener una masa distinta de cero. Newton encontró la manera de calcular esta fuerza, a través de la conocida como Ley de Gravitación Universal 4

5 Fuerza electromagnética Aparece entre partículas con carga eléctrica. Inicialmente se pensó que las cargas eléctricas eran las fuentes de la fuerza eléctrica y que los imanes eran las fuentes de las fuerzas magnéticas, siendo interacciones totalmente independientes. Fuerza nuclear fuerte Si cargas del mismo signo se repelen, cómo es posible que los protones permanezcan en posiciones estables dentro del núcleo? Las distancias entre ellos son del orden de m, por lo que la fuerza de repulsión electrostática es muy grande (del orden de 230 N). La estabilidad de los núcleos atómicos se explica gracias a una nueva interacción (nuclear fuerte) de distinta naturaleza que la electrostática, que actúa de forma atractiva entre protones y neutrones. 5

6 Fuerza nuclear débil Esta fuerza es muy compleja, baste con indicar que es la responsable de la desintegración de los núcleos radiactivos y también de la producción de radiación y energía calorífica en el sol mediante procesos de fusión nuclear. Como se miden las fuerzas Para medir la intensidad de una fuerza que se aplica a un cuerpo, se usa un instrumento llamado DINAMÓMETRO. Este instrumento se vale de la elasticidad de un resorte cuando una fuerza actúa sobre él para estirarlo. Cuando una fuerza tira del resorte de un dinamómetro, éste se estira y el indicador se desplaza sobre una escala graduada que indica el módulo (medida) de dicha fuerza. En el Sistema Internacional de unidades, la fuerza se mide en newtons: 1 newton (N) es la fuerza que proporciona a un 6

7 cuerpo de 1 kg de masa una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado. PRIMERA LEY DE NEWTON Esta primera ley resulta intuitiva en el primero de los casos: "todo cuerpo permanecerá en reposo si no actúa una fuerza sobre él". Parece bastante lógico, no? Pero, la segunda parte de la afirmación, donde se asevera que continuará moviéndose parece menos evidente. Si impulsamos un trineo, cuánto tiempo se moverá antes de detenerse? Parece evidente que depende de la superficie sobre la que se mueva. Si la superficie es más lisa, tardará más en detenerse, mientras que si la superficie es más rugosa, tardará menos. Así pues, si se mueve sobre hielo, tardará muchísimo más en detenerse que si rueda sobre gravilla. Imaginad que conseguimos una superficie más lisa que el hielo, de modo que casi eliminemos el rozamiento. Se detendrá entonces en algún momento? Todo parece indicar que sí, pero cuál es la causa? El aire Cuando vamos en una motocicleta a gran velocidad notamos como el aire nos frena, es por eso, que para alcanzar 7

8 mayores velocidades es conveniente agacharse para adoptar una postura más "aerodinámica". De esa manera, reducimos el efecto del rozamiento con el aire. Imagina ahora que lo eliminamos. Ya no habría nada que nos frenará. Todo cuerpo permanecerá en reposo o con un movimiento rectilíneo uniforme a no ser que una fuerza actúe sobre él. En consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra forma; un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta. Algunas fuerzas comunes: El peso de los cuerpos 8

9 Es una medida de la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto. El peso equivale a la fuerza que ejerce un cuerpo sobre un punto de apoyo, originada por la acción del campo gravitatorio local sobre la masa del cuerpo. Por ser una fuerza, el peso se representa como un vector, definido por su módulo, dirección y sentido, aplicado en el centro de gravedad del cuerpo y dirigido aproximadamente hacia el centro de la Tierra. He aquí presento algunas imágenes para representar vectorialmente el peso de los cuerpos. Fuerza normal Fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado sobre la misma. Ésta es de igual magnitud y dirección, pero de sentido contrario a la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la superficie. Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie, ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la superficie. 9

10 La fuerza de tensión Es la fuerza con que una cuerda o cable tenso tira de cualquier cuerpo unido a sus extremos. Cada tensión sigue la dirección del cable y el mismo sentido de la fuerza que lo tensa en el extremo contrario. Por tanto, cada uno de los cuerpos que se encuentren unidos a los extremos de un cable tenso sufrirán la acción de una fuerza denominada tensión cuya dirección es idéntica a la del cable y su sentido equivalente al de la fuerza aplicada en el objeto del otro extremo y que provoca que el cable se tense. SEGUNDA LEY DE NEWTON 10

11 Esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime. La fuerza es el producto de la masa por la aceleración, que es la ecuación fundamental de la dinámica, donde la constante de proporcionalidad, distinta para cada cuerpo, es su masa inercial. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, la fuerza y la aceleración están relacionadas. Dicho sintéticamente, la fuerza se define simplemente en función del momento que se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas serán iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del objeto. En la mayoría de las ocasiones hay más de una fuerza actuando sobre un objeto, en este caso es necesario determinar una sola fuerza equivalente, ya que de ésta depende la aceleración resultante. Dicha fuerza equivalente se determina al sumar todas las fuerzas que actúan sobre el objeto y se le da el nombre de fuerza neta. 11

12 De la ecuación fundamental se deriva también la definición de la unidad de fuerza que es el NEWTON (N). Si la masa y la aceleración valen 1, la fuerza también valdrá 1; así, pues, el newton es la fuerza que aplicada a una masa de un kilogramo le produce una aceleración de 1 m/s². Entonces la aceleración y la fuerza han de tener la misma dirección y sentido. La fuerza de rozamiento Es una fuerza que aparece cuando hay dos cuerpos en contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento de los cuerpos. Es la causante, por ejemplo, de que podamos andar (cuesta mucho más andar sobre una superficie con poco rozamiento, hielo, por ejemplo, que por una superficie con rozamiento como, por ejemplo, un suelo rugoso). Hay dos clases de rozamiento; estático y dinámico Rozamiento estático: Este se da cuando el cuerpo está en reposo. Es la resistencia que se debe superar para poner en 12

13 movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto. Fe= μe. FN Rozamiento cinético: Este se da cuando el cuerpo está en movimiento. Es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que éste ya comenzó a moverse. Fc= μc. FN TERCERA LEY DE NEWTON Esta ley afirma que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo (empuje), este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección, pero con sentido opuesto. 13

14 Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto. La tercera ley de Newton establece lo siguiente: Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primero. En cualquier interacción hay un par de fuerzas de acción y reacción, cuya magnitud es igual y sus direcciones son opuestas. Las fuerzas se dan en pares, lo que significa que el par de fuerzas de acción y reacción forman una interacción entre dos objetos. Otra forma de verlo es la siguiente: Si dos objetos interactúan, la fuerza F12, ejercida por el objeto 1 sobre el objeto 2, es igual en magnitud y opuesta en dirección a la fuerza F21 ejercida por el objeto 2 sobre el objeto 1: 14

15 ANEXO I Lectura- La primera ley de Newton Para plantear su primera ley del movimiento, Newton se apoyó en las ideas y el trabajo de Galileo y René Descartes ( ). Galileo había experimentado con planos inclinados para establecer el llamado principio de inercia, mientras que Descartes había llegado a él a través de la especulación. Galileo realizó experimentos sobre un plano inclinado doble en el que una bola descendía por un extremo y, después de alcanzar la base, ascendía por el otro. La pregunta que quería responderse era hasta qué altura llegaría en su ascenso. Galileo observó que el resultado dependía de la fricción que oponía la rampa al movimiento y que la bola casi alcanzaba la misma altura cuando la fricción era pequeña. Planteó entonces la hipótesis de que en ausencia de fricción, la bola debía alcanzar la misma altura de la que partía. La interpretación de la Primera Ley de Newton puede llevar a confusiones y por eso es importante reconocer sus implicaciones. De ella se deduce, por ejemplo, que en ausencia de toda fuerza, un cuerpo en reposo se mantendrá en reposo y un cuerpo en movimiento, lo seguirá haciendo a velocidad constante. Sin embargo, de la primera ley no se concluye que todo 15

16 cuerpo en reposo, o en movimiento a velocidad constante, no está sujeto a la acción de fuerzas. Sobre un jarrón en una mesa actúan varias fuerzas y lo mismo pasa si empujas un escritorio y lo desplazas a velocidad constante. Lo que sucede en estos casos es que la suma de las fuerzas sobre el sistema (la fuerza resultante) es cero y sus efectos se anulan. En estas condiciones, el comportamiento del sistema resulta equivalente al del caso en que ninguna fuerza actúa. La tendencia de un cuerpo a mantener su estado de movimiento también se manifiesta como una resistencia a que el movimiento cambie; esta resistencia recibe el nombre de inercia y por eso la Primera Ley de Newton también se conoce como ley de la inercia. Aunque en la vida cotidiana es imposible evitar los efectos de la fricción y de la fuerza de gravedad sobre el movimiento de los cuerpos, las implicaciones de la Primera Ley de Newton se manifiestan por todas partes. Te has preguntado, por ejemplo, por qué cuando un avión despega los pasajeros parecen pegarse a sus asientos? O, por qué al lanzar una moneda al aire en un coche en movimiento te cae de nuevo en la mano? ANEXO II Lectura-La segunda ley de Newton 16

17 Una vez que se conocen las características del movimiento cuando no actúa una fuerza o cuando la fuerza resultante es cero, las preguntas que surgen naturalmente son: Qué pasa si la suma de las fuerzas no se anula? Cómo se mueve un sistema sujeto a la acción de una sola fuerza o de una fuerza resultante diferente de cero? La observación, los experimentos y la reflexión llevaron a Newton a concluir que en estas condiciones la velocidad de un cuerpo no se mantiene constante. Si está en reposo, comenzará a moverse y si está en movimiento, su rapidez o la dirección y sentido de su movimiento cambiará; en pocas palabras, el cuerpo adquiere una aceleración. Un ejemplo que sirvió a Newton de guía en su análisis fue el de la caída libre de los cuerpos. En este caso la única fuerza que actúa sobre el objeto es su peso, y el movimiento que sigue es uniformemente acelerado. Newton determinó que la aceleración que adquiere un cuerpo depende tanto de la magnitud, la dirección y el sentido de la fuerza resultante que actúa sobre él, como de la masa del objeto. La fuerza resultante y la masa son las únicas variables involucradas. La aceleración es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza resultante. Así, si se duplica la fuerza, la aceleración se duplica; si se triplica la fuerza, se triplica la aceleración. Por otro lado, la aceleración es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se acelera. Esto es, a mayor masa, menor aceleración. Si aplicas la misma fuerza sobre dos cajas, una con el doble de la masa que otra, la aceleración de la de mayor masa será sólo la mitad. La masa resulta ser una medida de la inercia del objeto o de su resistencia a ser acelerado. 17

18 ANEXO III Lectura-TERCERA LEY DE NEWTON Es común que una de estas fuerzas reciba el nombre de acción y la otra el de reacción. Cuál es cuál no tiene importancia, pues ninguna existiría sin la otra. Reconociendo que se habla de fuerzas, la tercera ley del movimiento también se expresa diciendo que a toda acción corresponde una reacción de igual magnitud y dirección, pero en sentido contrario. Las conclusiones derivadas de la tercera ley de Newton a veces contradicen el sentido común y en ocasiones resultan difíciles de comprender, por lo cual es importante reflexionar acerca de ellas. Por ejemplo, si un ciclista choca contra un camión en movimiento, el sentido común nos hace pensar que la fuerza sobre el deportista será mayor que la fuerza sobre el camión; sin embargo, la tercera ley de Newton nos dice que las magnitudes de las fuerzas son idénticas. Cómo es posible? Lo que sucede es que al analizar el fenómeno sólo nos fijamos en los efectos que produce sobre cada cuerpo. 18

19 Como al ciclista le va peor, concluimos que la fuerza sobre él es mayor. Sin embargo, como ya estudiaste, los efectos de una fuerza dependen tanto de la masa del cuerpo como de las características de las demás fuerzas que actúan sobre él. En el caso del ciclista, su masa es mucho menor que la del camión y, para la misma fuerza aplicada, su aceleración es mucho mayor. Las fuerzas son iguales, pero no sus efectos porque las masas son diferentes. Otro problema se presenta porque intuitivamente la gente piensa que sólo los seres vivos o los objetos en movimiento pueden aplicar o generar fuerzas. Probablemente te preguntes: cómo es posible que si me recargo sobre la pared, la pared responda con una fuerza similar o que la silla sobre la que me siento ejerza una fuerza sobre mí? Así es, puede parecer extraordinario, pero si no es así, por que se deforma la mano al empujar la pared?, qué impide que la persona caiga al piso cuando se sienta? También es importante reconocer que las fuerzas de acción y reacción actúan sobre cuerpos distintos y por eso no se cancelan. BIBLIOGRAFIA ttp:// q=ilustraciones+sobre+movimiento+uniforme&hl=es&qscrl=1 &rlz=1t4tsng_esco454co455&prmd=imvns&tbm=isch&tb o=u&source=univ&sa=x&ei=uqoumuieyrm8gtgj4eo&sqi=2&ved=0cciqsaq&biw=886&bih =34, re=endscreen, 19

20 iforme y iformemente_acelerado Bautista,Mauricio. Editorial Santillana.2010.Printer Colombia.S.A PPPP P 20