Unidad: Primera Ley de Newton

Transcripción

1 Unidad: Primera Ley de Newton Has observado que aunque intentes forzar el movimiento de un objeto, éste tiende a quedarse en reposo? Has pensado alguna vez por qué es necesario el cinturón de seguridad en un automóvil para salvarte la vida en un accidente? En esta unidad intentaremos comprender uno de los principios físicos que permite entender de manera simple estas situaciones, principio conocido por los científicos como la Primera Ley de Newton. Observa el video que muestra un globo con forma de Mickey Mouse lleno de agua que se encuentra colgando de una barra y que se revienta. Observa las fotos 02 y 03 utilizando la barrita de cuadros en la página web del video. 1. Por qué crees tu que después de reventarse el globo, el agua queda en el aire manteniendo la forma original? 1

2 Actividad: La moneda y la tarjeta En la siguiente imagen se muestra una tarjeta en reposo sobre el dedo de una mano y una moneda de cien pesos en equilibrio sobre la tarjeta. Junto con tu compañero o compañera reproduce la situación mostrada y sin tocar la moneda saca la tarjeta de forma tal que la moneda quede en reposo sobre el dedo. Observa el video a continuación donde se muestra como mover la tarjeta para que la moneda quede en equilibrio sobre el dedo de la mano. 1. Opcional: Redacta junto con tu compañero o compañera de mesa una explicación breve que describa como debe moverse la tarjeta para que la moneda pueda quedarse en reposo. Prepárate para compartir tus conclusiones con el resto del curso. 2

3 Actividad: El truco del mantel Has visto alguna vez el truco de magia en que un mago saca el mantel de una mesa sin que los platos caigan al suelo? Si buscas en You Tube: table cloth stunt dish, encontrarás muchos videos de este truco. A continuación podrás realizar una versión simple de este truco: Coloca una hoja de papel sobre una mesa con uno de sus bordes sobresaliendo, de forma que puedas tomarla con facilidad. Esta hoja cumplirá la función de mantel, coloca un libro o cuaderno sobre la hoja. Sin tocar el libro intenta sacar la hoja y observa que ocurre con el libro. Antes de ver este video, pueden realizar la competencia opcional que se detalla en la próxima actividad. 1) Explica cual es el truco para poder sacar el mantel sin mover los objetos sobre él. 3

4 Actividad: El truco del mantel, la competencia (opcional) Después de practicar por un par de minutos, forma un grupo de 4 personas con tus compañeros o compañeras. Haremos una Competencia para ver quién puede realizar el truco de magia lo mejor posible. Hagan un sorteo para elegir quién será el Juez de la Competencia. Las otras tres personas serán los competidores. Si tú eres uno de los competidores: describe brevemente cuál es la mejor forma de sacar la hoja para que el truco funcione lo mejor posible. Si tú eres el Juez: deberás decidir cuál de los competidores realizó mejor el truco. Para ser justo debes ser capaz de justificar tu decisión en base a un criterio objetivo. Por ejemplo, es importante que todos los competidores usen el mismo libro o cuaderno y hojas idénticas al momento de realizar el truco. Explica a los competidores cual es el criterio objetivo a utilizar para decidir quién es el ganador, y lleguen a un consenso al respecto. 1. Realicen la competencia y encuentren a un ganador o ganadora. Redacten un resumen de la competencia que explique brevemente al resto del curso quien fue el ganador, qué habilidad le permitió ganar la competencia y cuál fue el criterio que se utilizó para decidir quién fue el ganador? 4

5 Actividad: Reflexionando acerca de las actividades anteriores. En las actividades La moneda y la Tarjeta y El truco del Mantel, estudiamos el movimiento de objetos que están inicialmente en reposo (la moneda y el libro). 1. Describe brevemente el movimiento de estos objetos después de sacar la tarjeta o el papel. Para lograr que el objeto inicialmente en reposo no se moviera fue necesario que el movimiento de la tarjeta o del papel fuera muy rápido, de esa forma la fuerza realizada interactúa poco tiempo y no logra sacar al objeto de su estado de reposo. Así, aunque la fuerza es distinta de cero, la situación es similar a la de un objeto inicialmente en reposo sobre el que no actúan fuerzas. La Primera Ley de Newton describe la situación idealizada en que sobre un objeto en reposo no actúa ninguna fuerza. 5

6 2. Escribe en tu cuaderno, en tus propias palabras, como enunciarías tú la Primera Ley de Newton aplicada a los experimentos que hemos analizado. 3. Normalmente se enuncia la Primera Ley de Newton en la siguiente forma: Si sobre un objeto en reposo no actúa ninguna fuerza Esta forma de enunciar la Primera Ley de Newton establece en forma explícita a que cuerpos y bajo qué condiciones se aplica esta Ley. Completa en tu cuaderno esta forma de enunciar la Primera Ley de Newton. 4. Tu profesor o profesora enunciará la Primera Ley de Newton para objetos en reposo. Compara este enunciado con el enunciado que escribiste en tu cuaderno. 6

7 Aún cuando la Primera Ley de Newton se enuncia para objetos sobre los cuales no actúan fuerzas, es común que su aplicación se extienda a aquellos casos en que no hay fuerzas que actúen en una determinada dirección. Piensa por ejemplo en un libro en reposo sobre una mesa. Debido a que no hay fuerzas que apunten en dirección horizontal el libro se mantiene sin moverse en esta dirección. Primera Ley de Newton: Si sobre un cuerpo en reposo no actúan fuerzas, entonces el cuerpo se mantiene en reposo. 7

8 Actividad: Primera Ley para cuerpos en movimiento. Hasta ahora hemos estudiado solamente objetos que se encuentran inicialmente en reposo, y cabe preguntarse que sucede cuando el objeto que nos interesa venía moviéndose inicialmente. Para responder esta pregunta estudiaremos el siguiente experimento: El automóvil de juguete está en reposo con respecto a una plataforma que se mueve. El automóvil es libre de moverse, es decir, no se encuentra pegado a la plataforma de ninguna forma. Nos interesa estudiar que sucederá con el movimiento del automóvil cuando la plataforma choque con el soporte en reposo hacia el cual se dirige. Este soporte tiene la misma altura que la plataforma que se mueve con el auto. 8

9 Parte I: El Movimiento antes del choque. 1. Mientras el soporte viaja hacia le derecha, antes de chocar: 1.a) Cómo se mueve el automóvil? es un movimiento con rapidez constante? 1.b) Qué puedes decir sobre las fuerzas que actúan sobre el automóvil (si es que las hay)? 1.c) Dibuja un gráfico cualitativo que muestre la posición del automóvil en función del tiempo antes de chocar. 2. Haz una predicción: Cuál crees tú que será el movimiento del automóvil (si es que se mueve) después del choque? 3. Agrega a tu gráfico anterior una línea de otro color que represente tu predicción para el movimiento del automóvil después del choque. 9

10 Observa a continuación el video del experimento: 4. Qué diferencias y semejanzas hay entre el movimiento del automóvil antes del choque y después del choque? 5. Era correcta tu predicción para el movimiento del automóvil después del choque? Si es necesario, dibuja un nuevo gráfico para el movimiento completo del automóvil, indicando que diferencia hay con el gráfico que hiciste como predicción. 10

11 A continuación te mostramos el gráfico de posición del automóvil versus tiempo, obtenido directamente del video de este experimento. 6. Solamente mirando el gráfico es posible saber en que instante del tiempo ocurrió el choque? Si es posible, indica en que instante ocurrió el choque y como pudiste determinarlo. Si no es posible, explica por qué no es posible. 7. Puedes explicar por qué motivo el movimiento del auto no se ve afectado por el choque? 8. Es razonable aplicar el Principio de Inercia para este automóvil que inicialmente estaba moviéndose? 11

12 Como has visto, la rapidez del automóvil no cambia debido al choque porque durante el choque no actúa ninguna fuerza (horizontal) sobre el automóvil. Este es el significado de la Primera Ley de Newton aplicada a un objeto en movimiento. 9. De la misma forma que hiciste anteriormente en esta guía, enuncia la Primera Ley de Newton para cuerpos en movimiento. Recuerda mencionar en forma explícita a que cuerpos y bajo qué condiciones se aplica la Primera Ley de Newton. 10. Tu profesor o profesora enunciará la Primera Ley de Newton para objetos en movimiento. Compara este enunciado con el enunciado que escribiste en tu cuaderno. 12

13 Para no tener que enunciar la Ley de Inercia en dos casos por separado, los científicos suelen usar la expresión estado de movimiento, que incluye ambos casos particulares. El estado de movimiento puede ser en reposo o moviéndose con rapidez constante. Por lo tanto, la Primera Ley de Newton o Principio de Inercia suele enunciarse de la siguiente forma: Primera Ley de Newton: Si sobre un cuerpo no actúan fuerzas, entonces el cuerpo mantiene su estado de movimiento. 13

14 Actividad: Reflexionando sobre el Principio de Inercia Como has visto, hemos ido refinando el significado de la Primera Ley de Newton o Principio de Inercia, incluyendo cada vez nuevos efectos y redefiniendo y generalizando el significado de los conceptos utilizados en ella. Este procedimiento es usual en el Método Científico, en que las teorías se van ampliando y generalizando a medida que nuevos fenómenos se observan. La Primera Ley de Newton también se conoce como Principio de Inercia, donde la palabra Inercia hace referencia a la tendencia de los cuerpos a permanecer en reposo o en movimiento. La masa de los objetos tiene mucha importancia al aplicar el Principio de Inercia, porque si bien los objetos tienden a mantener su estado de movimiento, esta tendencia es mayor para un objeto de mayor masa. La masa de un objeto es una medida de la Inercia que éste tiene. 14

15 Actividad: Huevo Feliz, Huevo Triste. La imagen muestra dos huevos sobre los cuales se dejarán caer simultáneamente dos bolas de pool de la misma masa. Se dispone también de dos ladrillos idénticos, estando el huevo triste encima de su ladrillo y el huevo feliz debajo del suyo. 1. Antes de ver el video, haz una predicción: Qué crees que sucederá cuando las bolas de pool caigan? Observa ahora el video del experimento: 15

16 Como puedes ver, el ladrillo que esta encima del huevo feliz lo protege de la caída de la bola, impidiendo que se quiebre. 2. Si se hubiese colocado un ladrillo (del mismo material) bastante más delgado, crees que tendría el mismo efecto protector? 3. Explica por qué colocar el ladrillo sobre el huevo lo protege de la caída de la bola. (Utiliza el Principio de Inercia). 16

17 Actividad: El Cinturón de Seguridad. El cinturón de seguridad es una invención que puede salvarte la vida en caso de un accidente. Estudiaremos a continuación por qué. Parte I. Énfasis en el movimiento del auto: Imagina que tú eres un pasajero que viaja al interior de un automóvil que se mueve con rapidez constante, similar al video del automóvil de juguete sobre una plataforma que estudiamos previamente. 1. Si el automóvil en que viajas choca bruscamente con un muro (o con otro automóvil detenido en la carretera), afecta este choque al movimiento del automóvil? Explica por qué. 2. Que diferencias existen entre el choque del automóvil en la pregunta anterior con el choque del automóvil sobre la plataforma de la actividad anterior? 3. Son consistentes tus dos respuestas anteriores? (Ayuda: Qué fuerzas actúan sobre el automóvil en cada uno de los dos casos?) 17

18 Parte II. Énfasis en el movimiento del pasajero: Piensa ahora en tu movimiento antes y después del choque. 4. En esta situación, a que objeto se parece más tu cuerpo, al automóvil que choca con otro automóvil o al automóvil sobre la plataforma de la actividad anterior? 5. Pensando ahora en el caso en que tú viajas en el asiento delantero del automóvil que choca contra un muro, compara tu movimiento después del choque con el movimiento del automóvil después del choque. 6. Para cada uno de los dos cuerpos (tú y el automóvil) determina: 6.a) Si actúan o no actúan fuerzas. 6.b) Si se aplica o no la Primera Ley de Newton. 18

19 Mira a continuación un choque de un auto con un muro: (Tú eres la pelota que va sentada en el asiento delantero) Choque frontal contra un muro. Una situación similar ocurre si el choque es de costado. Choque de costado contra un muro. 19

20 En conclusión, tu cuerpo quiere mantener su estado de movimiento (con rapidez Constante) debido a que sobre él no actúan fuerzas, mientras que el automóvil se detiene bruscamente debido a la fuerza que el muro ejerce sobre él. La función del cinturón de seguridad, entonces, es ejercer una fuerza sobre ti cuando sigues moviéndote y te separas del asiento, de forma de frenarte e impedir que choques contra el parabrisas del automóvil que ya se encuentra detenido. Nunca te olvides de usar el cinturón de seguridad, sobre todo en carreteras donde el automóvil se mueve a gran rapidez! 20

21 Actividad: El apoya cabezas. Considera ahora el caso en que tu estas en reposo al interior del automóvil cuando eres chocado por atrás por otro automóvil. 1. Esta situación, se parece más al video de la tarjeta y la moneda o al video del auto sobre la plataforma de una de las actividades anteriores? 2. Para cada uno de los cuerpos (tú y el automóvil) determina: 2.a) Si actúan o no actúan fuerzas durante el choque. 2.b) Si se puede aplicar o no el Principio de Inercia. 21

22 Supón que tu automóvil es antiguo y no cuenta con apoya cabezas, de forma que solo tu espalda está en contacto con el respaldo del asiento mientras que tu cabeza está libre en el aire. 3. Justo después del choque, tienden tu cabeza y el resto de tu cuerpo a tener el mismo estado de movimiento o distinto estado de movimiento? Explica por qué. Discute tu razonamiento con tu compañero o compañera de banco. 4. Tomando en cuenta tus respuestas a las preguntas anteriores, explica en tu cuaderno que función cumple el apoya cabezas para protegerte durante una colisión en la parte trasera del automóvil. Relaciona tu explicación con la aplicación de la Primera Ley de Newton. Redacta un breve resumen de la clase de hoy y que aprendiste en ella. Si el profesor te lo solicita comparte tu resumen con el resto de la clase. 22