Diálogo entre el alumno y el profesor - Magnitudes físicas Un alumno le pregunta al profesor: Alumno: Profe, decir que la balanza de la Farmacia me indica que tengo un peso 54 kg, o compro 2 kg de manzanas en la verdulería, o decir que mi papá circula por una ruta a la velocidad de 100 km/h. Está mal expresado para la ciencia? Profesor: Próximamente estudiaremos las magnitudes físicas más comunes, sus unidades, sus múltiplos y submúltiplos. Respondiendo a tu pregunta, son expresiones correctas y solamente para uso familiar, pero no lo son para la Física. En primer lugar debemos diferenciar lo que significa la masa y el peso, también la diferencia entre la rapidez y la velocidad. En primer lugar debemos formularnos la siguiente pregunta: Qué significa efectuar una medición? La respuesta es: hacer una comparación, o sea, medir es comparar. Gráfico 1 En la física clásica hay ejemplos muy claros, la medición de la altura de una mesa en metros o el tiempo que se demora en llegar caminando de nuestra casa al colegio en minutos, ellos simbolizan las magnitudes escalares longitud y el tiempo, que no están influenciadas por fuerzas, por ejemplo la fuerza de la gravedad. Al igual que las anteriores, la masa es otra magnitud escalar cuyo valor no varía, sea cual fuere el lugar donde se efectúe la medición y medir la masa de un cuerpo, significa hacer una comparación contra un patrón de masa conocida. Si la medición de la masa de un cuerpo o sistema material se efectúa en la Farmacia, en el campo, arriba de un crucero en el medio del océano, en la Argentina, en la China, en la Luna, en el Sol o en el espacio, la masa de un sistema material es la misma. El peso es una medida que equivale a la fuerza de la gravedad que actúa sobre la masa de ese cuerpo o sistema material sobre un punto de apoyo y representa la masa del cuerpo por la aceleración de la gravedad dirigida al centro de la Tierra, ese vector se lo denomina colineal y tiene un sentido vertical hacia abajo. El Peso = m (masa) x g (aceleración de la gravedad). En el planeta Tierra, la aceleración de la gravedad es 9,81 m/s 2, en esta asignatura haremos la aproximación a 10 m/s 2 (diez metros/segundo al cuadrado). Seguramente la balanza de la Farmacia fue calibrada con varias pesas de masas conocidas y luego generaron una escala en kg, pero tu peso es m x g, eso representa 54 kg x 10 m/s 2 y es equivalente a 540 kg.m/s 2 o 540 N (Newton)
Gráfico 2 Alumno: Quiere decir que yo peso 540 N? Profesor: Si, pero pesándote en el planeta Tierra, si pudieses trasladar la balanza a la Luna donde la fuerza de la gravedad es la sexta parte (1/6) que la fuerza de gravedad de la Tierra, la escala indicará la sexta parte de los que pesas en la Tierra o sea verás la aguja en la división 9 kg y es equivalente a 90 newton, independientemente que tu masa se mantenga en 54 kg. Alumno: Es interesante, pero me resulta difícil imaginármelo. Profesor: Veamos otros ejemplos donde intervienen la fuerza de la gravedad y no afecta la masa de un cuerpo. Gráfico 3 Si pudieses sobrevivir en la superficie del Sol y trasladas la balanza de la Farmacia al Sol, tu peso se multiplicaría aproximadamente 22 veces, porque la fuerza de la gravedad en el Sol es 22 veces superior a la de la Tierra, o sea que tu peso sería 540 N x 22 o sea igual 11.800 N, la balanza indicaría 1.180 kg y con ese peso se rompería la balanza. Si viste y recuerdas a los astronautas en la película Apolo XIII con el actor Tom Hanks, los astronautas debían sujetarse con correas a los asientos y sin las correas flotaban dentro de la nave en el espacio. En la cabina de una nave espacial tú estarías flotando, tu peso sería cero (0) porque no hay fuerza de gravedad, aunque tu masa seguiría siendo 54 kg y si en la Tierra no existiría la fuerza de la gravedad, no podríamos caminar, correr, saltar o sentarnos en una silla entre muchas más actividades, nada estaría afirmado al piso y todo lo existente en el planeta Tierra estaría flotando, independientemente de la masa que cualquier cuerpo o sistema material posea. Alumno: Gracias Profe, voy entendiendo, pero me quedé con la intriga respecto a la velocidad, Si el reloj del coche se llama Velocímetro! No marca la velocidad? Gráfico 3
Profesor: La velocidad también es una magnitud vectorial, es un vector colineal pero no posee la dirección vertical como el peso, es horizontal y como todo vector tiene un módulo o longitud, una dirección u orientación y un sentido, que se distingue en los extremos. Gráfico 5 Velocidad de un automóvil en un camino recto: vector colineal horizontal En teoría, el automóvil no está influenciado por la fuerza de la gravedad sino por la fuerza que ejerce el motor del vehículo, pero es fundamental que la fuerza de la gravedad afecte también a todos los sistemas en movimiento, sino todos estarían flotando. Gráfico 6 - Peso: vector colineal vertical Aunque la gente, en el lenguaje cotidiano utilice el término velocidad, lo que está queriendo significar es que el vehículo marcha con una rapidez de 80 km/h El ejemplo que te daré no corresponde para el curso de Fisicoquímica de 3 año pero intuitivamente podes pensar que existe una aceleración positiva, y ocurre cuando el automóvil está detenido, arranca y llega a una rapidez constante de 80 km/h y la aceleración negativa sucede cuando el automóvil va frenando, para ilustrar solo con un ejemplo. Alumno: Se comprende, está bien, pero que tiene que ver, o existe también una velocidad positiva y otra velocidad negativa. Profesor: Correcto, en la asignatura Física en años superiores no en este curso se estudiará el movimiento de cuerpos que se alejan cuando circulan con velocidades diferentes en el mismo sentido o se cruzan en un punto, a igual o diferentes velocidades, también podemos asignarle el signo a la velocidad desde la posición del observador, si el vehículo circula hacia mí, le asigno un signo y cuando pasa frente mi lado y se aleja cuando soy el observador, la velocidad cambia de signo. Gráfico 7 Podemos ver un ejemplo, si se requiere calcular la distancia que recorren o el tiempo empleado para que se sobrepasen, se crucen o impacten, se asigna por convención, una velocidad con signo positivo para un sentido y otra velocidad con signo negativo para el sentido opuesto.
Alumno: Puede con otras palabras explicarme cuál es la diferencia entre velocidad y rapidez. Profesor: Por supuesto, lo intentaré, la velocidad y la rapidez son dos magnitudes físicas que suelen confundirse en el lenguaje cotidiano. La rapidez es una magnitud física escalar que expresa la distancia recorrida un objeto por unidad de tiempo y para que lo comprendan mejor, digamos que las magnitudes escalares son aquellas que quedan completamente definidas por un número y la unidad de medida utilizada para su medición. Por ejemplo, la distancia recorrida por un objeto es la longitud de su trayectoria. Otro ejemplo, 60 km/h es una rapidez y significa que un objeto que se mueve -un automóvil o una moto- recorre 60 kilómetros por cada hora que están en movimiento. Gráfico 8 - En línea azul se aprecia la magnitud física (vectorial) velocidad La velocidad es una magnitud física vectorial que expresa el cambio de posición (desplazamiento) de un objeto en función del tiempo. Gráfico 9 - Magnitud física (vectorial) velocidad Las magnitudes vectoriales son aquellas que para definirlas, además de la cantidad expresada en números y la unidad de medida, se necesita indicar claramente la dirección y el sentido en que actúan. Por otra parte, el desplazamiento se refiere a la distancia y la dirección de la posición final respecto a la posición inicial de un objeto. Por ejemplo, 60 km/h, en la dirección de la Ruta N 2 (Ruta que une Buenos Aires - Mar del Plata) y se dirige hacia Buenos Aires. En este caso hay tres datos: una rapidez (60 km/h), una dirección (Ruta N 2) y un sentido (hacia Buenos Aires). Gráfico 10 - Magnitud física (vectorial) velocidad El concepto de velocidad es más útil que el de rapidez, porque la información es más completa. Permite realizar predicciones acerca del movimiento. Con la rapidez (60 km/h) solamente, no podemos saber dónde estará el automóvil después de circular una hora, aunque conozcamos el punto de partida. Sin embargo si
agregamos la dirección y el sentido, entonces sí partió de Mar del Plata hacia Buenos Aires, podríamos saber dónde se encuentra luego de dos horas, y podemos calcular si llegó o no a la localidad de Dolores. En el próximo ejemplo, el análisis de las diferentes velocidades que tiene cada bicicleta, nos servirá para calcular a qué distancia recorrida o en qué punto, las bicicletas se cruzarán. La orientación está dada por la flecha inferior, el ciclista azul transita con una velocidad + (positiva) y el ciclista verde transita con una velocidad - (negativa) Gráfico 11 - Magnitud física (vectorial) velocidad Algo similar ocurre si comparamos el movimiento de un automóvil y el de un avión, pero el análisis y los cálculos serán más complejos. Gráfico 12 - Magnitud física (vectorial) velocidad Comprender estos conceptos no será de mucha utilidad cuando analicemos el Universo y el movimiento de los cuerpos celestes (galaxias, estrellas, sistemas planetarios, los planetas, el planeta Tierra y su satélite, la Luna) En resumen, la próxima imagen dará una comprensión de las diferencias de la Rapidez y la Velocidad. Gráfico 13 - Magnitudes físicas (vectorial) velocidad y (escalar) la rapidez Alumno: Muchas gracias profe. Autor: Profesor Eduardo Castellani