TEMA 3 El movimiento y las fuerzas. Teoría FÍSICA

Transcripción

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2 1.- EL MOVIMIENTO La cinemática es la rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos. El movimiento es el cambio de posición de un cuerpo. El camino que describe un cuerpo en movimiento se denomina trayectoria y puede ser de son tipos: Trayectoria rectilínea Trayectoria curvilínea Nosotros vamos a estudiar el movimiento rectilíneo. Para ello necesitamos un sistema de referencia que estará constituido por: Un eje que indica la dirección que sigue el cuerpo Un origen que nos dice a partir de qué punto medimos la posición que ocupa el cuerpo Un sentido de positivo, es decir, debemos establecer hacia que sentido de nuestro eje vamos a considerar el desplazamiento positivo. 1.1 Las magnitudes fundamentales del movimiento En el estudio de los movimientos intervienen las siguientes magnitudes: La posición: lugar que ocupa el móvil en un instante determinado respecto al origen del sistema de coordenadas. Es una magnitud vectorial. La posición inicial es aquella en la que se encuentra el móvil en el instante inicial (t 0 = 0) a partir del cual se estudia su movimiento. Puede coincidir o no con el origen del sistema de coordenadas. Por su parte, la posición final es aquella en la que se encuentra el móvil en el instante final del intervalo de tiempo considerado (se expresa mediante t). El desplazamiento: es el vector diferencia entre los vectores posición final y posición inicial. Representa el cambio de posición del móvil. Se expresa: Desplazamiento = posición final - posición inicial s = s s 0 2

3 El desplazamiento es positivo si el móvil se aleja del origen del sistema de coordenadas y es negativo si se acerca a él. La distancia (se expresa mediante s): es la longitud que recorre el móvil, medida sobre la trayectoria. Se expresa en metros. Es una magnitud escalar. La velocidad (se indica con el símbolo v): expresa la variación de la posición en función del tiempo. Conocer la rapidez con la que se mueve un cuerpo no es suficiente; es necesario saber también en qué dirección y en qué sentido se desplaza. La velocidad, por lo tanto, es una magnitud vectorial. Sus unidades son m/s.. v = s s 0 t La aceleración: mide la variación de la velocidad respecto al tiempo. Es una magnitud vectorial. Se expresa en m/s 2. a = v v 0 t Un móvil puede aumentar su velocidad (acelerar), disminuirla (frenar) o cambiar su dirección (girar). Siempre que la velocidad varía, existe una aceleración. Simulador de movimiento. Puedes variar los distintos parámetros Simulador MRU Tiro vertical y caída libre Simulador MRU edu+ Simulador edumedia Text edumedia Caída libre edumedia 3

4 2.- FUERZAS Las fuerzas se encuentran presentes a nuestro alrededor en todo momento. Cuando empujamos una puerta o cogemos un objeto, por ejemplo, estamos aplicando fuerzas. La fuerza es una acción que un cuerpo ejerce sobre otro y que modifica el estado de movimiento o reposo, o la forma del objeto sobre el que se aplica. Si golpeamos una lata, por ejemplo, podemos observar los dos efectos: se desplazará y, además, se deformará. Según se puedan deformar o no los cuerpos pueden ser rígidos, elásticos o plásticos. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la fuerza se expresa mediante la unidad newton (N). Para definir una fuerza, necesitamos conocer cuál es su intensidad y en qué punto se aplica, así como su dirección y sentido. Todos estos son los elementos de un vector, es decir, la fuerza es una magnitud vectorial: La fuerza es una magnitud vectorial, por tanto, sus elementos son: la dirección, el punto de aplicación, el sentido y la intensidad, que son los elementos de un vector. Según la forma en que interactúan los cuerpos, las fuerzas que ejercen se clasifican como sigue: Por contacto: los cuerpos tienen que estar en contacto para ejercer la fuerza o recibirla. Cuando chutamos una pelota, nos sentamos en una silla o empujamos una puerta, ejercemos una fuerza de este tipo. La fuerza de rozamiento, que se opone al movimiento de un objeto sobre una superficie, es una fuerza por contacto. A distancia: los cuerpos no están en contacto. Cuando atraemos un objeto de hierro con un imán o cuando cae un objeto, se produce este tipo de fuerza. La fuerza gravitatoria es una fuerza a distancia. 4

5 2.1.- LEYES DE NEWTON Quién fue Newton? Primera: ley de la Inercia La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, este mantiene su estado de movimiento. Segunda: Principio fundamental de la dinámica La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera: F = m a Tercera: Principio de acción-reacción La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario. 5

6 2.2.- LOS SISTEMAS DE FUERZAS Sobre un cuerpo pueden actuar varias fuerzas a la vez. El conjunto de todas ellas se conoce como sistema de fuerzas y cada una recibe el nombre de componente del sistema. En este caso, siempre es posible sustituir las componentes por una única fuerza que produzca el mismo efecto, la cual recibe el nombre de resultante. La fuerza resultante indicará en qué dirección y sentido se producirá el efecto de todas las fuerzas aplicadas a un mismo objeto. Cuando la fuerza resultante es nula, el efecto producido es equivalente a no aplicar ninguna fuerza. fuerzas colineales Las fuerzas colineales son aquellas que actúan en la misma dirección, es decir, tienen la misma recta de acción. Si dos fuerzas colineales actúan en el mismo sentido, la resultante se calculará como la suma de los módulos o intensidades de las componentes y tendrá el mismo sentido que ellas: F 1 = 2 N F 2 = 4 N R = 2 N + 4 N = 6 N Resultante de un sistema de dos fuerzas colineales del mismo sentido. 6

7 Si, en cambio, las fuerzas tienen sentidos contrarios, la intensidad de la resultante será igual a la diferencia de los módulos de las componentes y el sentido será el de la fuerza de mayor intensidad: F 1 = 2 N F 2 = 4 N R = 4 N 2 N = 2 N Resultante de un sistema de dos fuerzas colineales de sentidos contrarios Qué fuerzas actúan sobre un cuerpo? PESO La fuerza gravitatoria es la responsable de que los cuerpos caigan cuando se sueltan o son lanzados. La existencia de dicha fuerza provoca la aceleración de la gravedad, cuyo valor al nivel del mar es de 9,81 m/s 2. El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos y su valor depende de la aceleración de la gravedad. Se calcula: Donde m es la masa del cuerpo en kilogramos (kg) y g es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ). El peso se expresa mediante la unidad newton (N), ya que es una fuerza. Para comprender la diferencia entre peso y masa puedes visualizar el siguiente video FUERZA NORMAL: Cuando un objeto está sobre una superficie, el peso del objeto ejerce una fuerza hacia abajo. También la superficie ejerce una fuerza sobre el objeto (hacia arriba) denominada Fuerza Normal. Por ejemplo, en la figura 2 se muestra un notebook en reposo sobre un escritorio, el notebook no acelera debido a la fuerza de gravedad sobre él porque está sostenido en el escritorio. La fuerza que ejerce hacia arriba el 7

8 escritorio sobre el notebook es la fuerza normal, que impide que el notebook se hunda o caiga y es perpendicular a la superficie del escritorio. Figura 2: Cuando la superficie del escritorio es horizontal, la normal tiene el mismo módulo y dirección del peso, pero el sentido de los vectores es opuesto. Figura 3: Si la superficie donde se apoya el notebook es inclinada, las fuerzas normal y de peso no tendrán la misma dirección y el módulo (longitud) de la normal es menor que el módulo de peso. FUERZA DE ROZAMIENTO: Fuerza que se opone al movimiento de un objeto o superficie sobre otra, se produce una fuerza de contacto llamada Fuerza de roce o de fricción y depende del peso del objeto y de la superficie sobre la que se mueve. 8

9 FUERZA ELÁSTICA La fuerza elástica es la ejercida por objetos tales como resortes, que tienen una posición normal, fuera de la cual almacena energía potencial y ejercen fuerzas. La fuerza elástica se calcula como: F = - k ΔX ΔX = Desplazamiento desde la posición normal k = Constante de elasticidad del resorte F = Fuerza elástica 3.- Maquinas simples Una maquina simple es un dispositivo que transforma la fuerza que ejercemos en otra magnitud o distinta dirección. Vamos a estudiar las más importantes: plano inclinado, cuña, palanca y polea. Plano inclinado El plano inclinado permite levantar una carga mediante una rampa o pendiente. Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes: la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable. 9

10 Cuña Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie. Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, desarmado, picahielo, cuchillo. Palanca Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro. La fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia Polea La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza, aplicando una menor, o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. Si consta de más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos a los edificios o sacar agua de los pozos. 10

11 4.- Carga eléctrica El origen de la carga eléctrica: los átomos Todo cuerpo se compone de átomos, cada uno de los cuales posee igual número de electrones y protones. Los electrones poseen una carga negativa, y los protones una carga positiva. Estas cargas se contrarrestan unas a otras, para que el objeto resulte neutro (no cargado). El valor de la carga de un electrón y un protón es igual aunque con signos distintos. Esto, junto al hecho de que, en estado normal, un átomo tiene los mismos protones que electronos, hace que la carga total de un átomo sea cero, es decir sean neutros. No obstante en algunas ocasiones los electrones pueden desplazarse pasando de un material a otro. En ese caso, uno de los materiales quedará con un exceso de carga negativa (ha ganado electrones), y el otro, al que le faltan electrones queda cargado con carga positiva. Cuando esto sucede en un número suficiente de electrones podemos percibir sus efectos a nivel macroscópico Fuerza electrostática Una propiedad que cumplen todos los cuerpos con carga eléctrica es que entre ellos se establece una fuerza denominada fuerza electrostática. Esta fuerza hace que los cuerpos con la misma carga eléctrica se repelan mientras que los que tienen distinta carga se atraigan. La fuerza electrostática es más grande cuanto más lejos están los uno de los otros Igual signo: se repelen Distinto signo: se atraen 11

12 4.3.-Conductores y aisladores El fenómeno de la electrización consiste, como ya vimos, en una pérdida o ganancia de electrones. Para que se produzca, los electrones han de tener movilidad. Existen algunos materiales, como los metales, que tienen la propiedad de permitir el movimiento de cargas eléctricas, y por ello reciben el nombre de conductores eléctricos. En cambio, hay otros, como el vidrio, el plástico, la seda, etc., que impiden el movimiento de cargas eléctricas a través de ellos, y por esto reciben el nombre de aislantes eléctricos. No podemos olvidar que ningún conductor es ciento por ciento conductor ni que tampoco un material aislante es ciento por ciento aislante. De alguna manera, todos los materiales conductores impiden cierta movilidad de cargas y, por otra parte, todos los materiales aislantes permiten algo de movilidad de cargas. 5.- Magnetismo El magnetismo es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre algunos materiales. Ya en la antigua Grecia llamó la atención la existencia de piedra que atraían al hierro y otros metales, Llamaron a este material magnetita y fue objeto de estudio durante siglos, tanto en Europa como en Asia Imanes A los objetos que presenta la capacidad de atraer acierto metales se les llama imanes. A los materiales que pueden ser atraídos por imanes se les llama ferromagnéticos. Los más conocidos son el fierro el níquel, el acero y el cobalto. Un imán presenta dos polos, llamados norte y sur. Cuando aproximamos dos imanes pueden suceder dos cosas: Si se aproximan dos polos iguales, los imanes se repelen Si se aproximan dos polos distintos, los imanes se atraen Si el imán puede moverse libremente, tiende a orientarse de forma que su polo sur apunta al norte y su polo norte apunta al sur. Esto se debe a que la Tierra actúa como un gigantesco imán con dos polos, norte y sur que se encuentran muy cerca de los polos geográficos. Es imposible construir un imán con un solo polo, por mucho que lo dividamos, cada parte siempre tiene dos polos. La forma de ver la fuerza magnética que genera un imán es utilizando limaduras de hierro, como se puede ver en la imagen. 12

13 5.2.- Imantación Los imanes pueden tener origen natural como la magnetita o se pueden fabricar mediante la imantación. Hay varios tipos: Imantación por frotación: si frotamos un objeto hecho de un material ferromagnético con un imán un suficiente número de veces, el objeto adquiere propiedades magnéticas y se convierte en un nuevo imán. Electroimanes: Enrollando un cable en torno a una pieza de material ferromagnético y haciendo que por el circule una corriente eléctrica, obtendremos un electro imán. Esto es muy útil porque se puede activar o desactivar la propiedades magnética encendiendo o apagando la corriente eléctrica. 13