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Indicadores de logro:
Explica la inercia a partir de las condiciones de equilibrio de un objeto en experimentación.
Efectúa un experimento para identificar la relación entre fuerza y aceleración.
Identifica las fuerzas de acción y reacción en un sistema de dos objetos.
Para predecir el movimiento debes comprender qué lo provoca: la fuerza. Si conoces las fuerzas que actúan sobre un objeto, predecirás el movimiento. ¡Qué divertido es el juego Halemos la cuerda! ¿Hacia qué sentido (izquierda o derecha) terminará moviéndose la cuerda? Acelerará hacia el sentido que tiene la fuerza neta. Cuando empujas un pupitre también aplicas fuerza. Parece obvio que, si aplico una fuerza, los objetos terminan moviéndose. Pero ¿qué tienes que comentar cuando no hay movimiento? ¿No hay fuerzas? Te has preguntado: ¿por qué no resbalas al caminar? ¿Por qué caes al suelo en lugar de subir a las nubes? ¡Veamos qué nos tienen que enseñar Luis e Irene!
Cuando estoy de pie en el autobús y de repente se pone en marcha, siento que voy a caer en sentido opuesto al movimiento del bus.
Yo también observo ese instante estando sentada en la parada del autobús. Si no se agarrara de los asientos, Luis caería ¿cómo se comportan los objetos que inicialmente se hallan en reposo si su entorno se mueve?¡Averigüémoslo!
Fíjate que...
La fuerza de fricción, f^→ , entre la suela de los zapatos y el suelo evita resbalar, por eso avanzas al caminar.
Los objetos caen al suelo al soltarse porque el peso, P^→ = mg^→ , es vertical y apunta siempre hacia el centro del planeta.
A. En busca de una propiedad de la materia
¿Cómo introducirías con un dedo un objeto pequeño en un vaso?
Materiales: vaso de vidrio, ficha y pinza para tender ropa.
Procedimiento:
Cubre la boca del vaso con la ficha.
Coloca la pinza encima de la ficha justo en el centro del vaso.
Golpea la ficha con un dedo rápidamente hacia adelante.
Repite el experimento varias veces.
Responde lo que se te indica en tu cuaderno de trabajo:
a. ¿Cuál de los siguientes es el objeto de interés? La pinza para tender ropa, la ficha o el vaso.
b. ¿Qué porcentajes se obtienen de los siguientes resultados? 1. El objeto sin voltearse cae al vaso y 2. El objeto se voltea al caer en el vaso.
Irene: Hemos descubierto una propiedad de la materia: la tendencia de los objetos en reposo a permanecer inmóviles. ¿Y si se aplicaran varias fuerzas a un objeto en reposo, mantendría el reposo o se aceleraría (aumenta o disminuye de velocidad)?
Notación
ΣF^→ = 0^→ es la fuerza neta. El símbolo Σ indica suma. La suma de dos fuerzas es: ΣF^→ = F1^→ + F2^→ . De tres es: ΣF^→ = F1^→ + F2^→ + F3^→ , etc.
La fuerza se mide en newton (N).
B. Fuerzas balanceadas y no balanceadas sobre un objeto
¿Qué efectos tiene sobre un objeto inicialmente en reposo aplicarle una fuerza neta balanceada (ΣF^→ = 0^→)? ¿Y una fuerza neta no balanceada (ΣF^→ ≠ 0^→)?
Materiales: botella plástica sin líquido de 2 L con su tapón, 4 trozos de cordel de 1 m, transportador y tirro.
Procedimiento:
Amarra cada cordel alrededor del cuello de una botella (el objeto de interés) y colócala en posición vertical con la base en el suelo.
Extiende todos los cordeles, observa dónde se cruzan las líneas de cada cordel y rotula «0» con tirro en ese punto (es el origen del sistema de coordenadas). Rotula un cordel como «Eje X».
Hala las cuatro cuerdas sin levantar la botella manteniendo su estado de reposo (v^→ = 0^→ y w^→ = 0^→), es decir, sin inclinar, oscilar o rotar la botella en ningún momento. Todos los cordeles deben estar en el plano horizontal y formando el máximo ángulo posible.
Mide los cuatro ángulos formados por los cordeles entre sí, sabiendo que van del origen hacia ti. Antes de tomar cada lectura con el transportador, haz coincidir primero el origen con el punto medio del transportador y luego la marca 0° del transportador con el cordel. Lee la división de la escala más cercana al cordel.
Realiza lo que se te indica en tu cuaderno de trabajo:
Grafica en el sistema de coordenadas la dirección y el sentido, luego escribe el ángulo entre las fuerzas, las cuales tienen igual magnitud (flechas de igual longitud). Completa la tabla.
Paso 2
Paso 4
6. Hala la botella con dos cordeles cumpliendo todas las condiciones descritas del paso 3 y mide los dos ángulos.
7. Realiza lo que se te indica en tu cuaderno de trabajo:
8. Por último, hala la botella con el cordel del eje X.
9. Responde en tu cuaderno de trabajo, ¿por qué es imposible mantener en reposo la botella cuando se hala con un cordel?
10. Vierte 500 mL de agua a la botella y ciérrala. Levanta varias veces la botella en dirección vertical aumentando cada vez la intensidad de la fuerza. Procede del mismo modo levantando la botella poniendo otros 500 mL y después 1 L adicional. Realiza lo que se te indica a continuación.
Completa los espacios en blanco de las oraciones con los términos: «igual», «aceleración», «mayor» o «fuerza» comparando cada oración con su correspondiente grupo de imágenes.
a. Cuanto _________ sea la masa de un objeto, debo aplicar mayor _________ para moverlo a _________ aceleración.
b. Para objetos de _________ masa, debo aplicar _________ fuerza para moverlos a mayor _________.
Paso 10
Luis: Antes yo pensaba que los objetos estaban quietos o en reposo porque no actuaban fuerzas sobre ellos y que además, la fuerza era la responsable del movimiento.
Irene: El experimento muestra que ambas ideas son erróneas, Luis. Tengo curiosidad por descubrir qué dirección tomaría la aceleración (y por tanto, la fuerza) en las trayectorias recta y curva. ¡Vamos allá!
Notación
a^→: es la aceleración. Unidad SI, m/s2
g^→= 10 m/s2 ↓ aceleración de la gravedad).
N^→: es la fuerza normal o de contacto con alguna superficie.
m: es la masa de un objeto (cantidad escalar). Unidad SI, kg.
1 N = 1 kg m/s2 , por eso el newton, N, unidad derivada .
C. En sus marcas, listos: ¡fuera!
¿Poseen la aceleración y la fuerza la misma dirección y sentido?
Materiales: corcho, tijera, 10 cm de cordel, tirro, agua, pistola de silicona, frasco de vidrio transparente, sin envoltorio.
Procedimiento:
Pídele a tu docente que le haga un pequeño orificio de poca profundidad a uno de los lados planos del corcho.
Corta el cordel (de ser necesario) y déjalo un poco más corto que el largo del cuerpo del frasco, luego pídele a tu docente que pegue con silicona un extremo del cordel en el orificio del corcho.
Pega con tirro el otro extremo al centro interior de la tapadera.
Añade agua al frasco hasta 1 cm debajo de la boca, pon el corcho dentro y cierra bien la tapa (está bien si queda algo de aire dentro).
Dale vuelta al frasco y déjalo con la tapadera abajo. Asegúrate de que el corcho no toque el fondo del frasco.
Agarra el frasco con una mano y extiende el brazo horizontalmente a un lado de tu cuerpo, te quedará a la altura de la cabeza.
Ponte de pie y observa el movimiento del corcho al seguir las siguientes indicaciones. Luego, responde en tu cuaderno de trabajo.
a. En reposo (vi^→ = 0^→), ¿qué orientación tiene el corcho?
b. A partir del reposo, da un paso hacia adelante y detente (vf^→ = 0^→).
c. A partir del reposo, da un paso hacia atrás y detente (vf^→ = 0^→).
d. Gira tu cuerpo y dale una vuelta completa al frasco.
Lisa: La aceleración la tienen los objetos que reciben fuerzas desbalanceadas.
Luis: Sí, la fuerza desbalanceada causa la trayectoria curva al ron ron. ¡Está fácil verdad!
Salti: ¡Yupi! Cualquier trayectoria curva tiene aceleración centrípeta. La cuerda ejerce una fuerza hacia el centro de la trayectoria.
Lisa: ¡Veo que estamos aprendiendo más del movimiento! Otro hecho divertido es hacer volar vejigas, ¿qué fuerza es la responsable?
D. Un par inseparable de fuerzas
¿Por qué vuelan las vejigas que inflo y libero, y los cohetes que envía la NASA o Space X al espacio?
Materiales: regla graduada, pajilla, tijera, cordel, 2 globos (o vejigas) de diferente tamaño y tirro.
Procedimiento:
Corta un trozo de 10 cm de la pajilla.
Corta unos 4.5 m de cordel.
Atraviesa el cordel por el interior de la pajilla.
Amarra el cordel a los respaldos de dos sillas o pupitres (o donde se pueda sujetar) separados por unos 4.0 m de distancia, deja el cordel lo más tenso posible en dirección horizontal.
Infla una vejiga y retuerce el cuello (no le hagas nudo) para evitar que escape aire.
Desplaza la pajilla por el cordel a uno de los extremos.
Pega cuidadosamente la vejiga inflada a la pajilla con tirro.
Suelta la vejiga y observa.
Haz varios ensayos y luego responde en tu cuaderno de trabajo lo que se indica:
a. ¿Qué fuerza provoca el movimiento de la vejiga?
b. ¿Qué fuerza provoca el movimiento de ese aire?
c. Dibuja la vejiga (1) y el aire saliendo de ella (2) y con flechas representa las fuerzas.
Notación
F12^→ indica la fuerza que un objeto 1 ejerce sobre un objeto 2.
Por ejemplo, si sabes que la vejiga (1) ejerce fuerza al aire (2) de su interior para volar, puedes escribirlo F12^→ o así, Fvejiga -aire ^→ .
¿Qué aprendimos?
Nos interesa encontrar la fuerza neta ΣF^→ que actúa sobre un objeto porque nos permite explicar y predecir cómo se mueve e interactúa con su entorno (Tierra, superficies, cuerdas, etc.). Por medio de las leyes del movimiento de Newton podemos conseguirlo:
La primera ley de Newton describe la inercia; la tendencia de los objetos a resistir los cambios de movimiento. Si un objeto está en reposo, o va a velocidad constante, continuará así para siempre si no hay cambios de su movimiento: ΣF^→ = 0^→ (actividades A y B del 1 al 7).
La segunda ley de Newton describe cómo la fuerza neta (diferente de cero) que mueve un objeto está relacionada con la masa y la aceleración del objeto: ΣF^→ = ma^→ (actividad B, del numeral 8 al 10).
La tercera ley de Newton explica lo que sucede cuando dos objetos interactúan; aparecen fuerzas de igual magnitud y sentidos opuestos: +Fobjeto1-objeto2^→ = -Fobjeto2-objeto1^→
Carlos: Las fuerzas también se representan con flechas porque son vectores. La longitud es la magnitud de la fuerza y hay que definir una escala conveniente, por ejemplo: 8 mm ≡ 1.0 N. La dirección de la fuerza es el ángulo que forma la flecha o su prolongación con alguna línea base de referencia (Eje X, p. ej.).
Carlos: Estas seis fuerzas de 1.0 N de magnitud tienen diferente dirección.
Lo interesante de todo esto es que cuando varias fuerzas actúan al mismo tiempo sobre un objeto, se combinan y actúan como si fuera ¡una sola! Con tu docente, argumenta la ley de Newton utilizada.
(1.a ley) Una lámpara de 5.0 kg cuelga. Encontremos ΣF^→ de la tensión del cable y del peso (50 N) de la lámpara. (Escala: 1 cm ≡ 50 N)
El cataviento mide la dirección instantánea del viento, orientándose según la dirección del flujo de aire.
(2.a ley) Una caja de 1.0 kg se mueve a +(2.0 m/s2)i mientras recibe dos fuerzas. Encontremos la fuerza neta. (Escala: 2 mm ≡ 0.5 N)
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