1. La tragedia griega: espejo y espejismo. 1.1. Una tragedia griega. 1.1.8. Las fuerzas y el principio de Arquímedes 1.- Una fuerza es la acción de un cuerpo sobre otro a distancia (por ejemplo, la atracción entre la Tierra y la Luna) o en contacto (por ejemplo, si damos un puntapié a un balón). Los resultados de la acción de una fuerza son de dos tipos: cambios de forma (como estirar un muelle o amasar arcilla) o cambios de velocidad (como al acelerar o frenar un vehículo). Elabora un informe sobre las fuerzas ayudándote del siguiente guión: - Aparato para medir fuerzas - Unidad de fuerza según el Sistema Internacional (S.I.). Defínela. - La fuerza es una magnitud vectorial. Características de una fuerza: intensidad o módulo, dirección, sentido y punto de aplicación. - Representación gráfica de las características de una fuerza. - Suma de fuerzas de la misma dirección. Representación gráfica de las fuerzas resultantes. - Fuerza de rozamiento.
2.- Práctica. Estudio de un péndulo. OBJETIVO: Los péndulos han sido el método más eficaz para medir el valor de la gravedad. En esta práctica se propone averiguar de qué depende el período (tiempo que tarda en realizar una oscilación). MATERIAL: Un hilo fino y fuerte. Pude ser metálico o de nilón. Masas de diversos valores. Son útiles las bolas metálicas preparadas con un ganchito para ser colgadas. Un soporte de donde colgar el péndulo. Una regla graduada. Un cronómetro. PROCEDIMIENTO: Realiza el montaje del péndulo atando cuidadosamente una de las masas a la cuerda y esta al soporte. La masa debe haberse medido con una balanza. Aparta el péndulo de su posición de reposo hasta una cierta posición medida con la regla y suéltalo a la vez que comienza a contar el tiempo. Permite diez oscilaciones completas y cronometra. Calcula el tiempo que tarde en realizar una oscilación (periodo) y anótalo. Con la misma longitud, L, de cuerda repite el experimento para varias amplitudes de oscilación. Sin variar la longitud de la cuerda, cambia la masa por otras de distinto valor y repite el experimento. Cambia ahora la longitud de la cuerda y repite el experimento para varias masas y amplitudes. Anota y tabula todos los valores CONCLUSIONES: Con los periodos observados en cada experimento intenta definir de qué depende el periodo de un péndulo. Realiza el gráfico periodo-longitud para los valores anotados.
3.- Las fuerzas cambian la forma. Un efecto de las fuerzas es el cambio de forma de los cuerpos. Al estirar un muelle o al moldear plastilina, cambiamos la forma de esos cuerpos mediante fuerzas. En un sólido, los cambios de forma que provocan las fuerzas pueden ser: elásticos, plásticos o roturas. Define estos conceptos y pon ejemplos. 4.- Cambios de forma elásticos. Ley de Hooke. Realiza un resumen biográfico de Robert Hooke. Enuncia y explica la Ley de Hooke, e indica la fórmula matemática de dicha ley.
5.- Práctica de laboratorio. Ley de Hooke OBJETIVOS: - Estudio de la elasticidad de los materiales y su relación con la fuerza - Construir e interpretar gráficas. FUNDAMENTO TEÓRICO: Una fuerza es toda causa capaz de deformar o modificar el estado de movimiento o reposo de un cuerpo. Es lógico pensar que, cuanto mayor sea la fuerza, mayor será la deformación producida en el cuerpo. Pero cuánto mayor? Una forma de estudiar estas deformaciones y su relación con las fuerzas aplicadas es el estudio de los muelles. Hooke encontró que, en un muelle, la relación entre la fuerza y el alargamiento o la compresión que produce en un muelle es directamente proporcional, es decir: F = K x D donde F es la fuerza que actúa, D es la variación de longitud producida al actuar la fuerza, y K es la constante de elasticidad del muelle. Si observas la ecuación anterior, podrás observar que, cuanto mayor sea la constante de elasticidad, mayor tendrá que ser la fuerza para producir el mismo alargamiento o compresión. Sin embargo esta constante tiene un límite: no podemos alargar o comprimir indefinidamente un muelle; existe un límite a partir del cual el muelle no recupera su forma. Este es el límite de elasticidad del muelle. MATERIAL: soporte-pie, regla graduada, muelle helicoidal, portapesas y pesas. PROCEDIMIENTO: 1.- A partir de la observación de que los muelles se deforman bajo la acción de las fuerzas, nos planteamos la siguiente cuestión: Cómo será la deformación producida? O, dicho de otra manera, qué relación existe entre la fuerza aplicada y la deformación? La hipótesis de trabajo que tendremos que comprobar será que los muelles se deforman proporcionalmente a la fuerza aplicada (si de un muelle se cuelga un peso que realiza una fuerza F, se alarga una longitud D. Cuando se cuelga el doble de peso, el alargamiento es el doble. Si se cuelga el triple de peso, el alargamiento es el triple, etc.) 2.- A continuación debemos diseñar un experimento para comprobar esta hipótesis. Para ello, te propongo realizar el siguiente. 3.- Realiza el montaje en el que cuelgues un extremo del muelle en el pie o soporte, y en el otro extremo del muelle deberás poner el portapesas y la pesa. Coloca también la regla de forma que el extremo del muelle quede cercano a la escala. 4.- Sitúa el muelle sin colgar pesas y anota la lectura de la regla, D-0. 5.- Cuelga pesas cada vez mayores y anota las lecturas (D-1, D-2, D-3...) en la tabla que te indico a continuación. medida Peso (N) Lectura (cm) Alargamiento X = D D0 (cm) 1 P1 = D0 = 0 K = 2 P2 = D1 = X=D1-D0= K = 3 P3 = D2 = X=D2-D0= K = 4 P4 = D3 = X=D3-D0= K = 5 P5 = D4 = X=D4-D0= K = 6 P6 = D5 = X=D5-D0= K = K = F/X
CONCLUSIONES: Analiza ahora los resultados. Utiliza una hoja de papel milimetrado para confeccionar una gráfica colocando la fuerza en ordenadas y el alargamiento en abscisas. Cómo varían los cocientes de la última columna de la tabla? Qué ley se obtiene? Trata de enunciarla y darle forma de ecuación matemática. Qué forma tiene la gráfica? Qué quiere decir esto? Con ayuda de la gráfica calcula: a) qué fuerza produciría un alargamiento de 1,5 cm. b) cuánto se estirará el muelle cuando colguemos de él un peso de 200 gr 6.- Resuelve los siguientes problemas: 6.1. Un muelle tiene una constante de elasticidad de 100N/m. Calcula qué deformación sufrirá cuando se fija un extremo y se tira del otro con una fuerza de 10N 6.2. Un muelle tiene una constante de elasticidad de 200N/m. Calcula su deformación cuando se fija un extremo y se tira del otro con una fuerza de 40N. 6.3. Calcula qué fuerza será necesaria para comprimir 2 cm un cilindro de caucho que tiene una constante de compresión elástica de 20000N/m
6.4. Un muelle se alarga 5 cm cuando se tira de él con una fuerza de 2N. Calcula su constante de elasticidad en unidades del S.I. 6.5. Un balón se comprime 1 cm en su diámetro cuando se ejerce una fuerza sobre él de 20N. Calcula cuanto se comprimirá si la fuerza ejercida fuera de 35N. 6.6. Un automóvil tiene un peso de 15000 N. Sus neumáticos se hunden 2,5 cm respecto al diámetro que tienen cuando no están montados. Calcula la constante de elasticidad de dichos neumáticos. 6.7. Si un muelle se alarga 4 cm al ponerle un peso conocido de 1 N, cuánto vale la fuerza que lo alarga 12 cm? 7.- Las fuerzas cambian la velocidad. La dinámica La fuerza es la alteración del movimiento de los cuerpos. Aplicando fuerzas podemos poner en movimiento un cuerpo que estaba en reposo; aumentar la velocidad de un cuerpo que ya estaba en movimiento; frenar o disminuir la velocidad de un cuerpo, incluso detenerlo; y hacerle cambiar la dirección en la que se movía, es decir, girar. La dinámica es la parte de la física que estudia la relación entre las fuerzas y el movimiento de los cuerpos. El mayor referente de la dinámica es Isaac Newton. Busca información sobre la biografía de Newton.
8.- Enuncia y explica la primera ley de Newton o principio de la inercia. Indica también como influyen las fuerzas de rozamiento sobre esta primera ley de Newton.
9.- Enuncia y explica la segunda ley de Newton. Indica la fórmula matemática y explica el fenómeno de la aceleración: aceleración positiva y aceleración negativa o de frenado
10.- Resuelve los siguientes problemas: 10.1. Una fuerza de 500 N actúa sobre un bloque de hierro de 100 Kg que resbala casi sin fricción sobre una superficie lisa y pulida del mismo material. Calcula qué aceleración adquirirá 10.2. Un muelle con una constante de elasticidad de 5000 N/m se comprime 5 cm respecto a su longitud en reposo sosteniendo contra él un bloque de 100 g de masa. Calcula con qué aceleración saldrá despedido este bloque cuando se suelte el muelle 10.3. Un muchacho, con calzado de clavos para no resbalar, empuja con una fuerza de 200 N a un compañero patinador de 45 Kg de masa sobre una superficie helada que casi no presenta fricción. Luego hace lo mismo, con la misma fuerza, sobre otro compañero de 78 Kg. Tendrá los mismos efectos? Calcula la aceleración o aceleraciones que producirá a sus compañeros. 11.- Peso, la fuerza debida a la gravedad. La fuerza debida a la gravedad es la que conocemos desde más antiguo. Ya Newton enunció la ley de la gravedad y la relacionó con la masa de los cuerpos. Es importante evitar la confusión entre peso y masa. Habitualmente decimos que pesamos un cuerpo cuando en realidad calculamos su masa. Explica las diferencias entre masa y peso.
12.- Resuelve los siguientes problemas 12.1. Cuando decimos que una persona pesa 60 Kg estamos dando su masa, cuál es su peso? 12.2. Calcula el peso de un camión de 20000 Kg y el de una motocicleta de 75 Kg. 12.3. Calcula el peso de una persona de 60 Kg de masa en la Tierra y en la Luna (la gravedad en la luna es de 1,6 m/s2 )
13.- Práctica de laboratorio. Diferencias entre la masa y el peso. OBJETIVO: - Diferenciar los conceptos de masa y peso - Aplicar técnicas de laboratorio. FUNDAMENTO TEÓRICO. En la siguiente tabla se establecen las diferencias que existen entre el concepto de masa y el peso de un objeto. CARACTERÍSTICA MASA PESO Se mide en: Balanza Dinamómetro Se expresa en: Gramos (g) Newtons (N) Es un: Escalar (un número) Una fuerza MATERIAL: Balanza digital, pesa, piedra, moneda, cangrejo PROCEDIMIENTO. Utilizando la balanza digital y la ecuación que relaciona las dos magnitudes (masa y peso), completa la siguiente tabla: OBJETO MASA PESO Pesa Piedra Cangrejo Moneda ACTIVIDAD. Para comprobar la relación que existe entre la masa y el peso realizamos la siguiente actividad. Conociendo nuestra masa expresada en gramos (lo que se conoce en la calle como el peso), vamos a calcular nuestro peso utilizando la ecuación que relaciona las dos magnitudes: masa y peso. P = m.g