Colegio San José - Sotrondio - 3º E.S.O.

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Interacciones entre cuerpos. Interacciones entre cuerpos. Fuerzas y leyes de NewtonFuerzas y leyes de Newton

Podemos constatar la existencia de fuerzas a través de los efectos que producen.

Así por ejemplo, un clavo es atraído por un imán, una piedra por la tierra, una varilla metálica se dobla si se ejerce un esfuerzo sobre ella, un muelle se estira si se cuelga un peso de su extremo, etc...Para medir estas interacciones entre los cuerpos, los físicos utilizan una magnitud llamada fuerza.

Entendemos por FUERZAFUERZA toda causa que modifica el estado de movimiento de los cuerpos o los deforma.

En el sistema Internacional de Unidades la unidad de fuerza es el newton (N)

fuerzas y su representación

Representamos la fuerzas por vectores. Los vectores son segmentos orientados, cuyos elementos, dirección, sentido, origen y longitud se pueden hacer corresponder con la dirección, sentido, punto de aplicación e intensidad de las fuerzas.

Representamos entonces la fuerza aplicada sobre un punto como un vector. Pero ¿qué pasa cuando sobre un punto aplicamos más de una fuerza?

Recordemoslo con algunos Recordemoslo con algunos ejemplosejemplos

F2 F1

Fr Fr = F1 - F2

F1F2

Fr Fr = F1 + F2

F1

F2 FrFrF1

F2FrFr

22

21

22

21

2

FFF

FFFr

r

Método general:

vectoresvectores

1. Poner tres ejemplos de interacciones en la vida cotidiana.

2. Calcula la intensidad de la fuerza resultante en los siguientes casos:

aa 5 N3 N bb 8 N

6 N

3. Indica dos ejemplos de fuerzas que produzcan movimiento y otros dos de fuerzas que produzcan deformaciones.

ejercicios 1-3

Como ya dijimos anteriormente, las fuerzas pueden producir deformaciones en los cuerpos.

Si al cesar la fuerza que produce la deformación el cuerpo mantiene su última forma, se dice que es PLÁSTICO PLÁSTICO (mantequilla, plastilina, . . )

En cambio, si al cesar la fuerza el cuerpo vuelve a recuperar su forma inicial, se dice que es ELÁSTICO ELÁSTICO (muelles, gomas de caucho, ...)

De interés especial es el caso de los MUELLESMUELLES

Lo

L-Lo 2(L-Lo)

3(L-Lo)

2F

3F

La diferencia de la longitud final del muelle una vez aplicada una fuerza y esta Lo, será el alargamiento sufrido por el muelle.

Se puede observar que hay una relación lineal entre las fuerzas aplicadas y el alargamiento sufrido por el muelle.

Es decir, que a doble fuerza, doble alargamiento, a triple fuerza, triple alargamiento, etc..

Los alargamientos producidos por las fuerzas en los muelles son directamente proporcionales a las fuerzas aplicadas.

F = K · ( L - Lo)

(Ley de Hooke)

Para medir las fuerzas se emplean los DINAMÓMETROS,DINAMÓMETROS, que se basan en que los muelles cumplen la ley de Hooke.

Se miden las deformaciones producidas en muelles por las fuerzas, y a cada longitud del muelle le hacen corresponder una fuerza.

Lo, es la longitud inicial del muelle.

F

Observemos los efectos que produce la misma Observemos los efectos que produce la misma fuerza sobre distintas superficiesfuerza sobre distintas superficies

Tomamos una base (por ejemplo de arena), sobre la que vamos a poner un objeto pero en diferentes posiciones.

Así se ve que penetra más en la arena cuanto menor se la superficie de

contacto.

El efecto deformador de una fuerza, F, depende de la relación existente entre ella y la superficie S en la que se aplica. A esta

relación se le llama presiónpresión:

Presión ( P ) =Presión ( P ) =fuerza ( F )fuerza ( F )

superficie ( S )superficie ( S )

La unidad de presión en el Sistema Internacional es el pascal (Pa).pascal (Pa). Equivale a una fuerza de 1N ejercida sobre una superficie de 1 m2.

La fuerza que se aplica es siempre la misma (el peso del objeto), en cambio se observa que el efecto deformador es diferente.

presión

4. ¿Qué alargamiento producirá una fuerza de 10 N en un muelle cuya constante es K = 2 N/m ?

5. Completa la siguiente tabla, correspondiente a medidas realizadas sobre un muelle que cumple la ley de Hook de constante K= 5 N/m.

F (N) 10 15

(L-Lo) 1 4

6. ¿Por qué se afilan los cuchillos? ¿Por qué andamos mejor sobre la nieve con esquís o raquetas en los pies?

ejercicios 4-6

Vamos ahora a estudiar el otro de los efectos que puede producir una fuerza: cambios en el estado de movimiento delos cuerpos.

¿Es preciso qué esté actuando una fuerza sobre un cuerpo ¿Es preciso qué esté actuando una fuerza sobre un cuerpo que se está moviendo?que se está moviendo?

principio inercia

Para responder a esta pregunta analicemos las experiencias que realizó Galileo en el siglo XVII, y que le llevaron a enunciar el principio de inercia.

Utilizando una bola de bronce y un plano Utilizando una bola de bronce y un plano inclinado pulimentado, observó lo siguiente:inclinado pulimentado, observó lo siguiente:

Al dejar caer la bola por el plano inclinado, su velocidad aumenta a medida que lo hacía su recorrido, y cuando más pulimentado estaba el plano más velocidad adquiría.

Al lanzar la esfera plano arriba, su velocidad iba disminuyendo hasta anularse. Ahora bien, cuanto más pulimentado estaba el plano y menor inclinación tenía, más distancia recorría la bola hasta parar.

Poniendo en relación todos los resultados de la experiencia, llegó a la conclusión de que si el plano estuviera horizontal y pulimentado de manera ideal, la bola se movería indefinidamente en línea recta, con velocidad constante.

Así pues, si sobre un cuerpo la fuerza resultante es nula, Así pues, si sobre un cuerpo la fuerza resultante es nula, permanecerá inmóvil si ya lo estaba, y si estaba en movimiento permanecerá inmóvil si ya lo estaba, y si estaba en movimiento

conservará la misma velocidad: conservará la misma velocidad: Principio de inercia.Principio de inercia.

Acabamos de ver que, en ausencia de fuerzas aplicadas, o cuando la fuerza resultante sea nula, un cuerpo ha de estar o parado o con movimiento rectilíneo uniforme, es decir en ambos casos sin aceleración.

Podemos afirmar entonces que en ausencia de fuerzas, la aceleración es cero.

Partiendo de este principio, Newton concluyó que las fuerzas son Partiendo de este principio, Newton concluyó que las fuerzas son las causantes de las aceleraciones.las causantes de las aceleraciones.

¿qué relación existe entre la fuerza aplicada ¿qué relación existe entre la fuerza aplicada sobre un cuerpo y la aceleración que adquiere?sobre un cuerpo y la aceleración que adquiere?

Observamos que las fuerzas y las aceleraciones son directamente proporcionales

La constante de proporcionalidad, se denomina masa inertemasa inerte del cuerpo, y es una medida de la inercia o resistencia del cuerpo a modificar su estado de movimiento.

La resultante de las fuerzas aplicadas sobre La resultante de las fuerzas aplicadas sobre un cuerpo es igual al producto de su masa un cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración que adquiere.por la aceleración que adquiere.

FFR R = m · a= m · a

En el Sistema Internacional, la unidad de fuerza se llama Newton ( N ).Newton ( N ). Y se define como la fuerza que aplicada a un cuerpo de 1 Kg. de masa, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cada segundo.

2º principio

7. ¿Por qué cuando vamos en un autobús y frena bruscamente nos sentimos empujados hacia delante? Y ¿si arranca nos sentimos empujados hacia atrás?

8. Llamamos peso de un cuerpo a la fuerza con que la Tierra lo atrae. Si la aceleración de la gravedad (g) es de 9,8 m/s2, calcula el peso de un cuerpo de 1 Kg. de masa. ¿Con qué aparatos se miden las masas? ¿Y los pesos?

9. Observa estos dibujos y completa en cada caso los datos que faltan.

m = 5 Kgm = 5 KgF1 = 25 NF2 = 10 N

a a ==

m m ==

F1 = 45 NF2 = 50 N

a = 1 m/s2

ejercicios 7 - 9

Hay efectos de la fuerzas que, seguramente, habrás visto o comprobado. Por ejemplo, si has jugado al billar alguna vez sabrás que tras el choque entre las bolas se modifica su velocidad. Por lo tanto, actúan fuerzas en el instante del choque.

Otra situación común es la de Otra situación común es la de un patinador, que para un patinador, que para impulsarse en sentido contrario impulsarse en sentido contrario

ejerce fuerza sobre una pared.ejerce fuerza sobre una pared.

¿por qué retrocede la barca al ¿por qué retrocede la barca al saltar a tierra el chico?saltar a tierra el chico?

Al igual que en los otros casos, es claro que cada uno de los cuerpos ejerce una fuerza sobre el otro, pues ambos cambian su movimiento

FA,B FB,A

FFA,B A,B = - F= - FB,AB,A

Podemos afirmar que si un cuerpo ejerce una fuerza (acción) sobre otro, éste ejerce sobre el primero otra fuerza (reacción) de la misma intensidad y de sentido contrario.

acción y reacción

gravitación universal

Dos masas cualesquiera m1 y m2, situadas entre sí a una distancia d, se atraen con una fuerza ( FN ) que es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

221·

·d

mmGFN

2

211 ·

10·67,6Kg

mNG

La gravitación es responsable de los diversos movimientos y trayectorias de los astros y de que la Tierra mantenga sobre ella a los seres vivos e inanimados.

El PESOPESO de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae.

Para un cuerpo de masa m, el peso en la superficie de la Tierra es proporcional a dicha masa:

2

··

T

TN

R

mMGFPeso

g

= m · g

ejercicios

10. Señala cual de las siguientes afirmaciones es correcta

Los cuerpos no contienen ni almacenan fuerzas en su interior: siempre las reciben de otros cuerpos mediante contacto o a distancia

Un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza no puede estar moviendose.

Si sobre un cuerpo está actuando alguna fuerza, necesariamente ha de estar en movimiento

El peso es una propiedad característica de los cuerpos, y

no depende de donde se encuentre.

La fuerza de gravedad entre dos cuerpos aumenta cuando aumenta la distancia entre ellos

Cuanto más grande es la constante de un muelle, más difícil es estirarlo.

El peso de los cuerpos se mide con una balanza.

Cuestiones y Problemas para trabajar y pensar

1. Si acercamos un imán a una puntilla, ¿quién atrae a quién?

2. Soltamos un péndulo de modo que éste puede oscilar libremente mediante la cuerda que lo sujeta. Dibuja las fuerzas que actúan sobre el peso que cuelga en: (1) justo en el momento de soltarse, (2) cuando pasa por su posición más baja en la trayectoria.

3. Una persona en reposo, da un salto vertical hacia arriba. Realiza un análisis dinámico de la situación indicando la fuerza responsable que lo eleva.

4. Un caballo atado a un carro, razona diciendo: “cualquiera que sea la fuerza que yo ejerza sobre el carro,el carro ejercerá otra igual y de sentido contrario sobre mí, de modo que la resultante será cero y por mucho que me esfuerce, el carro no se moverá”. ¿Qué falla en el razonamiento del bicho?

5. El muelle del disparador de un juego de “pin-ball” se comprime una cierta longitud para impulsar la bola de acero que tiene y lanzarla sobre la pista inclinada del juego. Dibuja las fuerzas que actúan sobre la bola de acero justo en el momento de soltar la mano del disparador.

6. Una persona sobre unos patines da un empujón a la pared y se pone en movimiento. Analiza dinámicamente la situación.

7. Un jugador de baloncesto lanza a una canasta la pelota desde la zona de 3 m. Dibuja las fuerzas que actúan sobre la pelota a lo largo de su recorrido hasta la canasta.

Esto es todo por el momento. Espero que os haya sido de provecho.

Recuerda: no olvides realizar las actividades propuestas en casa,

A

B