Unidad: Segunda Ley de Newton

Si  sobre  un  objeto  no  actúan  fuerzas  éste  conserva  su  estado  de  movimiento  y  se mueve  con  rapidez  constante, pero  ¿qué  ocurre  si  se  ejercen  fuerzas  sobre  el  objeto? ¿Qué características del movimiento de un objeto nos permiten deducir que sobre él se aplicaron fuerzas?

Actividad: Bola cayendo sobre una membrana

Observa el movimiento de una bola de pool que se deja caer sobre una membrana:

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1. Mientras la pelota cae y antes de tocar la membrana.

a) ¿La pelota se mueve con una rapidez constante, con una rapidez que va aumentando o con una rapidez que va disminuyendo?

b) ¿Actúa alguna fuerza sobre la pelota?

2. Cuando la pelota está en contacto con la membrana y va subiendo.

a) ¿La pelota se mueve con una rapidez constante, con una rapidez que va aumentando o con una rapidez que va disminuyendo?

b) ¿Que fuerzas actúan sobre la pelota?

c) Tomando en cuenta tu respuesta a la letra a) sobre la forma en que se mueve la pelota, ¿Cuál de las fuerzas que actúan sobre la pelota tiene mayor magnitud?

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3. Cuando la pelota está en contacto con la membrana y va bajando.

a) ¿Cuál de las fuerzas que actúan sobre la pelota tiene mayor magnitud?

b) Si en vez de la pelota que va bajando en contacto con la membrana tú tuvieras que conducir un auto y lograr que se moviera de manera similar a la pelota, ¿tendrías que usar el acelerador o el freno del auto?

c) Revisa si tu respuesta anterior sobre el acelerador y el  freno es consistente con tu respuesta sobre el tamaño del peso del objeto y la fuerza que ejerce la membrana sobre él.

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La Segunda Ley de Newton afirma que, cuando

 las fuerzas que actúan sobre un objeto no se encuentran balanceadas,

 el objeto acelera.

A continuación estudiaremos en forma más precisa las predicciones cuantitativas de la Segunda   Ley de Newton.

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En el caso de varias fuerzas que actúan sobre un objeto,

 el resultado de combinar todas las fuerzas no balanceadas

 es equivalente a la acción de una única fuerza que actúa sobre el objeto

 a la que se llama la Fuerza Neta .

 La aceleración del objeto apunta en la dirección de la Fuerza Neta.

En el caso de dos fuerzas que apuntan en direcciones opuestas

la aceleración del objeto apunta en la dirección de la fuerza de mayor tamaño.

Actividad: Distintas fuerzas aplicadas sobre objetos de igual masa.

La siguiente imagen muestra tres carros que se mueven bajo la acción de uno, dos y tres  ventiladores que se encuentran sobre ellos. 

Cuando  se  estudian  fenómenos  físicos  es  importante  variar  sólo  uno  de  los  factores  que influyen  en  el  fenómeno  estudiado,  dejando  los  demás  factores  fijos.  En  este  caso  los  tres carros  son  idénticos,  por  lo  que  la  masa  de  los  tres  objetos  que  se  mueven  es aproximadamente  la  misma.  Los  ventiladores  son  idénticos  y  el   número   distinto   de ventiladores sobre cada carro produce que las fuerzas que se ejercen sean distintas.

1.) ¿Cuál de los tres carros crees tu que tiene la menor aceleración?

2.) La aceleración del carro más cercano a ti, ¿Cuántas veces más grande o más chica es que la aceleración del carro de al medio?

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Observa el video para chequear tu predicción:

Del video se puede medir que las aceleraciones del carro más cercano es de aproximadamente  20[cm/s2] y la del carro de al medio es de aproximadamente 40[cm/s2], lo que ilustra que;

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Si la masa se mantiene constante,

la aceleración resultante es proporcional a la fuerza aplicada

a = (constante) F

Actividad: Misma fuerza aplicada sobre objetos de distinta masa.

La siguiente figura muestra el experimento que estudiaremos a continuación. Observa que en todos los casos sólo un ventilador empuja a  los carros, por  lo que la  fuerza es aproximadamente la misma, pero los carros tienen distinta masa.

1. Haz una predicción: La aceleración del  carro más  cercano a  ti,  ¿Cuántas veces más grande o más chica es que la aceleración del carro de al medio?

Ahora mira el video para ver si el movimiento es lo que esperabas;

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En  este  experimento  se  encuentra  que  la  aceleración  del  carro  de  al  medio  es aproximadamente la mitad de la aceleración del carro más cercano a ti. En otras palabras, si  la  masa  aumenta  al  doble,  la  aceleración  se  reduce  a  la  mitad.  Este  resultado  suele enunciarse en la siguiente forma:

Combinando  los  resultados  de  las  dos  actividades  anteriores,  podemos  escribir  una  sola ecuación, a = F/m, ecuación que suele reescribirse en la forma

Donde F es la fuerza total que actúa sobre el cuerpo, es decir, la suma de todas las fuerzas que sobre él actúan en caso que hubiese más de una fuerza aplicada. Esta fuerza total recibe el nombre de  Fuerza neta.

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Si la fuerza se mantiene constante,

la aceleración es inversamente proporcional a la fuerza aplicada

a = constante/m

F = m a

Actividad: La patineta

Observa  el  siguiente  video  en  que  Camilo  está  sentado  en  la patineta y es empujado por sus amigos:

1. ¿Existe algún intervalo de tiempo en que la fuerza neta que actúa sobre Camilo es cero?

2. Tu profesor es un escéptico y no te cree a no ser que proporciones evidencia que apoye tu respuesta. Convence a tu profesor dando evidencia que pueda medirse en el video.

3. ¿Existe algún intervalo de tiempo en que la fuerza neta que actúa sobre Camilo no sea cero?

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Observa ahora este video en que Camilo es empujado por 4 de sus amigos

4. En este caso, mientras es distinta de cero, ¿la fuerza neta que actúa  sobre  Camilo  es  mayor,  menor  o  igual  que  en  el  caso anterior?

5. Jorge dice que obviamente la fuerza neta sobre Camilo es mayor en este caso que en el caso anterior porque  hay  4  personas  empujando  y  antes  solo  había  dos.  El  primo  norteamericano  de  Jorge,  George, piensa  que  los  amigos  de  Camilo  podrían  estar  engañándote  si  es  que  a  propósito  cada  uno  de  ellos hubiese empujado muy poco, de forma de hacer la fuerza neta sobre Camilo menor que en el caso de las dos  personas  empujando.  Proporciona  evidencia  que  se  pueda  obtener  del  experimento  que  permita decidir si la fuerza neta que actúa sobre Camilo es mayor, menor o igual que en el caso de los dos amigos que lo empujaban.

6. La aceleración de Camilo en el caso de los cuatro amigos que lo empujan, ¿es mayor, menor o igual que la aceleración en el caso que dos de sus amigos lo empujaban? Explica brevemente tu razonamiento. 

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Actividad: El zapato y la moneda.

La  figura  muestra  un  zapato  y  una  moneda  que  se  dejarán  caer simultáneamente.  Nos  interesa  averiguar  que  objeto  llegará  al  suelo primero.

1.  Haz  tu  predicción:  el  zapato,  ¿llegará  al  suelo  antes,  después  o  al mismo tiempo que la moneda?

2. Ambos objetos caen porque la Tierra ejerce una fuerza hacia abajo sobre ellos. Esta fuerza es el peso de cada objeto. La magnitud de  la  fuerza neta que actúa sobre el zapato,  ¿es mayor, menor o  igual que  la magnitud de la fuerza neta que actúa sobre la moneda?

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3. Supón que el zapato y la moneda están en reposo sobre la superficie de una mesa sin roce, y que a cada uno de ellos se le da un pequeño golpe con un dedo. Producto del golpe cada objeto sale moviéndose con una rapidez  constante. Si  se da el mismo golpe a  los dos objetos,  ¿la  rapidez  con que sale  el  zapato es mayor, menor o igual que la rapidez con que sale la moneda? ¿qué nombre recibe esta propiedad de los cuerpos? 

4. Utiliza la segunda ley de Newton para decidir si la aceleración con que cae el zapato es mayor, menor o igual que  la aceleración con que cae la moneda. Asegúrate de tomar en cuenta tus respuestas a  las dos preguntas anteriores.

5. Tres amigos discuten cual cuerpo cae con mayor aceleración:

Jorge: El zapato es más pesado, la fuerza neta que actúa sobre el es mayor y por lo tanto cae con mayor aceleración.George: El zapato tiene más inercia, cuesta mucho más sacarlo del reposo, por lo que se mueve con menor aceleración.Pepe: Los dos efectos son importantes. Si el zapato es 50 veces más pesado también tiene 50 veces más masa y por lo tanto la aceleración a = F/m es la misma para los dos cuerpos.

¿Con cuál de los amigos (si es que con alguno) estás de acuerdo?

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Observa el video del movimiento para comprobar tu razonamiento.

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Actividad: Dos pedazos de papel que se dejan caer (opcional)

Un experimento muy simple que es un clásico para demostrar el efecto del roce con el aire en la caída de objetos, consiste en dejar caer dos pedazos de papel idénticos, uno arrugado formando una bolita y el otro sin arrugar.  Los papeles, ambos  de  igual  masa,  se  sueltan simultáneamente y se observa que la bolita de papel llega al suelo primero.

1. La aceleración con que cae la bolita de papel, ¿es mayor, menor o igual que la aceleración con que cae la hoja de papel?

2. La bolita y la hoja de papel parten con la misma rapidez inicial (cero) y recorren la misma distancia, pero la bolita demora menos tiempo ¿son estos datos consistentes con tu respuesta anterior?

3. Al caer la fuerza neta que actúa sobre la bolita, ¿es mayor, menor o igual que la fuerza neta que actúa sobre la hoja?

4. Basándote en tus respuestas anteriores, ¿Explica por qué  la bolita no  llega al suelo al mismo tiempo que la hoja?

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Actividad: La Torre de PISA (opcional)

En el Physics Institute of South America  (PISA) dos alumnos investigan el efecto del roce sobre  objetos  que  caen.  Para  ello  lanzan  desde  lo  alto  de  la  Torre  (como  llaman cariñosamente los alumnos al edificio dentro del College donde está el Physics Institute) dos botellas idénticas pero rellenas con distinta cantidad de agua.

Como las dos botellas tienen la misma forma la fuerza de roce con el aire actuará de manera similar sobre las dos botellas.

1. Si el efecto del roce es importante, ¿cuál de las dos botellas debería llegar al suelo primero? Discute tu razonamiento con un compañero.

2. Si el efecto del roce es despreciable, ¿Cuál de las dos botellas debería llegar al suelo primero? (recuerda que las masas de las botellas son distintas) Discute tu razonamiento con un compañero.

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Para ver si el efecto del roce es despreciable o no observa el video del experimento.

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