7. El movimiento

Por nuestra experiencia sabemos que un objeto está en movimiento cuando no está quieto o en la misma posición. Muchas veces el movimiento es evidente11 , como cuando caminamos con nuestra familia; o poco perceptible12, como el movimiento del planeta Tierra. ¡Sin dudarlo podemos decir que el movimiento es parte de nuestra vida! En física, el movimiento ocurre cuando hay un cambio en la posición original de un cuerpo después de un tiempo definido.

Nuestro cuerpo está en movimiento

Nuestro cuerpo está moviéndose en todo momento, aunque no lo percibamos. Por ejemplo, gracias al bombeo constante del corazón, la sangre se mueve por todo el cuerpo, llevando oxígeno a todas las células y transportando sus desechos, como el CO2, para ser eliminados. Tampoco nos damos cuenta del movimiento circular de nuestros ojos, que es inconsciente y ocurre todas las noches cuando estamos en lo más profundo del sueño. El cuerpo humano está diseñado para moverse en cualquier momento y en diferentes situaciones. Nuestros sistemas óseo y muscular, con la ayuda del sistema nervioso, se encargan de responder ante los estímulos internos o externos a través del movimiento del cuerpo. Los movimientos también nos ayudan a desenvolvernos socialmente. Las “muecas” que hacemos con la cara, ayudan a transmitir nuestro estado de ánimo a otras personas. Por ejemplo, movemos las cejas en señal de enojo, nuestros labios al reírnos o la cabeza en señal de aprobación o desaprobación.

Ejercicio 18

Responde en tu cuaderno lo siguiente: 1. Escribe con tus palabras qué es movimiento.

2. Reflexiona: ¿Qué pasaría si los objetos, las personas o los animales no se movieran?

11 Evidente: que es fácil de comprobar, que es claro. 12 Perceptible: que se puede percibir por los sentidos.

7.1 Medición del movimiento

La cinemática es la rama de la física que describe el movimiento, sin tomar en cuenta las causas que le dan origen. Esto lo hace a partir de algunas magnitudes físicas (medidas), siendo las principales la velocidad y la aceleración. Antes de estudiar a profundidad sobre estas medidas, veremos algunos conceptos que nos ayudarán a comprenderlas.

Distancia: es el espacio que recorre un objeto cuando se mueve. Se expresa como una unidad de longitud, en metros.

Desplazamiento: es la distancia que hay entre el punto inicial y el punto final del movimiento de un cuerpo.

Trayectoria: es una línea imaginaria que representa el recorrido de un cuerpo a lo largo del tiempo.

Punto de referencia: es un objeto quieto que nos sirve de comparación para observar a un objeto que se encuentra en movimiento. Por ejemplo, cuando visitamos un lugar nuevo, muchas veces usamos algún sitio como referencia para evitar perdernos, este sitio generalmente está quieto.

punto inicial TrayectoriaDesplazamiento Distancia (m) punto inicial punto final

a. Velocidad

¿Cómo sabemos si un vehículo se desplazó rápido o despacio? Podemos saberlo calculando su velocidad, que es la relación entre la distancia total recorrida y el tiempo empleado. Para que la información sea completa, debemos agregar la dirección a la que se desplazó.

velocidad = distancia total tiempo total v = d t

Por ejemplo: Si el vecino recorre en su vehículo 280 km en 3 horas. La velocidad a la que se desplazó fue de: 280 km 3 h Velocidad = = 93.33 km/h

R/ El vecino se desplazó a una velocidad de 93.33 km/h.

Ahora bien, si quisiéramos averiguar la distancia a la que se desplaza un objeto, hacemos un despeje de la fórmula. Por ejemplo: Si una moto tiene una velocidad de 0.70 m/s. ¿Cuál es la distancia a la que se desplaza en 6000 segundos?

velocidad = distancia tiempo

Para calcular la distancia total despejamos la fórmula. Como el tiempo total está dividiendo, al pasar al otro lado de la ecuación lo hace multiplicando a la velocidad, de manera que la fórmula para la distancia queda así:

Distancia = velocidad x tiempo

Entonces:

d = 0.70 m s x 6000 s = 4200 m

R/ La moto se desplazó una distancia de 4200 metros durante 6000 segundos.

b. Aceleración

Como sabrás, los vehículos no siempre se desplazan a la misma velocidad. La aceleración es la tasa a la que cambia la velocidad en el tiempo. La unidad de aceleración es: m/s².

La aceleración se considera positiva cuando se incrementa la velocidad, por ejemplo subir de 40 m/s a 80 m/s. La aceleración negativa o desaceleración, ocurre cuando se disminuye la velocidad. Por ejemplo, cuando un bus baja su rapidez porque se aproxima una curva peligrosa.

Ejercicio 19

Coloca un lazo a lo largo de una superficie plana (el patio de tu casa, por ejemplo). Impulsa un carrito de juguete para que se desplace de forma paralela13 al lazo. Anota el tiempo en el cual se desplazó el carrito . Haz una marca al lazo que indica hasta dónde llegó el carrito. Mide con un metro el inicio del lazo hasta la marca. Esta es la distancia. Anótala . Ahora, usando la información sobre la distancia y el tiempo en el que el carrito se desplazó, calcula la velocidad .

13 Paralela: que está orientado en la misma forma y dirección.

7.2 Tipos de movimiento

Según la forma de la trayectoria, los movimientos se clasifican en rectilíneos y curvilíneos.

a. Movimiento rectilíneo

Una trayectoria rectilínea describe el movimiento de un cuerpo en línea recta. En el campo por ejemplo, cuando se usa un tractor o arado para preparar un terreno para los cultivos, se observa esta trayectoria. Dependiendo si existe o no aceleración, el movimiento rectilíneo puede ser uniforme o acelerado.

Movimiento rectilíneo

Movimiento rectilíneo uniforme

Ocurre cuando la velocidad es constante, es decir, no hay aceleración. El cuerpo en movimiento recorre distancias iguales en tiempos iguales.

Movimiento rectilíneo acelerado

Se caracteriza porque hay aceleración, es decir, la velocidad no es constante. Por ejemplo: un carro inicia del reposo (v = 0), luego de encendido se desplaza la primera media hora a 11 metros/segundo, luego baja a 5 metros/segundo y cuando llega a su destino va disminuyendo a 3 metros/segundo, hasta llegar nuevamente al reposo = velocidad cero.

Ejercicio 20

Lee los enunciados e indica si corresponden a movimiento rectilíneo uniforme o movimiento rectilíneo acelerado. 1. Un carro que acelera cada 5 minutos y frena después de 10 minutos.

2. En una industria de latas, una faja se mueve 8 horas a 0.5 metros por cada segundo.

3. Un tractor que cambia de velocidad cada hora debido al cansancio del conductor.

b. Movimiento curvilíneo

En otras ocasiones, la trayectoria utiliza curvas, por ejemplo cuando una mariposa se desplaza por el jardín. Una trayectoria que utiliza curvas se conoce como curvilínea, por lo que también se conoce como movimiento curvilíneo.

Para facilitar su estudio, se puede clasificar de la siguiente manera:

Movimiento curvilíneo

Movimiento elíptico

Cuando la trayectoria es una elipse, que es como un círculo achatado. Se da por ejemplo, en el movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

Movimiento circular

La trayectoria del cuerpo forma una circunferencia o círculo, como por ejemplo, en las aspas de un ventilador o una rueda de Chicago.

Movimiento parabólico

Ocurre cuando la trayectoria tiene forma de parábola, que es parecida a un arco. Algunos ejemplos serían el movimiento de un proyectil o un niño pateando una pelota hacia la parte superior de una portería, que luego cae al suelo.

Ejercicio 21

Analiza las situaciones e indica el tipo de movimiento al que corresponden: 1. El movimiento de las llantas de una bicicleta. 2. Un auto va en una gran carretera recta. En la primera hora se desplaza a 40 km/h. En la segunda y tercera hora también va a 40 km/h. 3. Una niña tira una piedra formando una parábola. 4. Un bus escolar viaja a 40 km/h, luego cerca de las paradas baja a 10 km/h y luego frena para que bajen los niños. 5. Movimiento que sigue la forma de una elipse.

7.3 Momento de torsión y aplicaciones

Muchas veces es necesario aplicar una fuerza para producir un movimiento circular. Esto ocurre por ejemplo, cuando se utiliza un desarmador para apretar o aflojar un tornillo, o cuando giramos la llave del lavamanos para que caiga agua. La fuerza que se aplica para producir una rotación, giro o vuelta se conoce como momento de torsión o torque.

El ser humano también ha inventado utensilios que le han ayudado a aplicar el momento de torsión de una manera práctica, para mover, girar, apretar o aflojar. Algunos ejemplos son: palancas para cambiar una llanta, llaves de paso para apretar un chorro, atornilladores para apretar o aflojar tuercas. El momento de torsión es una cantidad vectorial, por lo que tiene magnitud y dirección.

De manera universal, se acordó que cuando una fuerza produce movimiento a favor de las agujas del reloj, el momento de torsión es negativo. Pero cuando la fuerza se produce en contra de las agujas del reloj, es positivo.

Ejercicio 22

¿Nuestro cuerpo utiliza el momento de torsión al moverse?

Nuestro cuerpo puede producir un momento de torsión cuando aplica fuerza a los músculos y articulaciones (como codos, rodillas o muñecas) para hacer una rotación, giro o vuelta.

Observa los esquemas que se presentan a continuación, y las flechas que indican hacia dónde se aplica el movimiento. Escribe si el momento de torsión es positivo o negativo.

7.4 Estática y cinética

Recuerda que...

Los términos cinética y cinemática no significan lo mismo. La cinemática estudia las fuerzas de un cuerpo sin importar las causas, mientras que la cinética se refiere a la energía de un cuerpo en movimiento.

La estática estudia las fuerzas que mantienen el equilibrio de un cuerpo en reposo.

La cinemática estudia el movimiento de los cuerpos sin importar las fuerzas que lo originan. • Estática

La mecánica es la rama de la física que se dedica al estudio y análisis del movimiento y reposo debido a la acción de fuerzas. Para facilitar su comprensión, se divide de la siguiente forma:

Mecánica

Estática: estudia las fuerzas que intervienen para mantener el equilibrio de un cuerpo en reposo. Considerando la estática, los ingenieros pueden calcular los materiales para que las bases de un puente estén fijas y no exista riesgo de caerse. Debe considerar la fricción estática. Cinemática: estudia el movimiento de los cuerpos sin importar las fuerzas que lo originan. Cuando aprendiste el movimiento rectilíneo uniforme y calculaste la distancia que recorrió un carro en un tiempo específico, estabas aplicando la cinemática.

Dinámica: estudia el movimiento de los cuerpos, analizando las causas que lo originan. Un ejemplo es calcular la fuerza necesaria para levantar un mueble utilizando una máquina simple, como una polea. Debe tomar en cuenta la energía cinética y la fricción cinética.

• Cinética

La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Los cuerpos o sistemas poseen energía, ya sea por estar en movimiento o en reposo. La energía cinética es la que posee un cuerpo debido a su movimiento. La cantidad de energía cinética depende de su masa y de la velocidad con la que se desplaza. Los científicos descubrieron que existen dos relaciones:

“A mayor masa, mayor energía cinética” “A mayor velocidad, mayor será la energía cinética “.

7.5 Fricción

• Fricción cinética

Al hablar de movimiento de cuerpos, un concepto que no debemos olvidar es el de fricción, que es una fuerza que se opone al movimiento. La fricción cinética es aquella que se da entre la superficie y un cuerpo que está en movimiento. Por ejemplo:

Una persona caminando con zapatos lisos en un piso mojado. La superficie del zapato liso y la superficie del piso serían los responsables de la fricción. En este caso, el agua disminuiría la fricción, por lo que el piso estaría más resbaladizo.

Un patinador puede hacer un baile artístico sobre una pista de hielo por la fricción que se da entre el hielo y los zapatos especiales que tiene. La fricción del hielo es menor a la de un piso de madera o granito, por lo que es más fácil deslizarse en él.

Ejercicio 23

Lee las siguientes situaciones, y subraya en cuál se presentará mayor energía cinética. Explica tu respuesta en tu cuaderno. 1. Niño tratando de resbalarse en un costal, pero en terreno plano. 2. Niña resbalándose sobre un costal en una bajada llena de grama mojada.

Ejercicio 24

El grado de fricción depende de la superficie y para comprobarlo te invitamos ¡a bailar! 1. Busca cinco tipos de suelo o texturas donde puedas bailar. Anótalos aquí.

2. Elige música que te guste y baila, aprovechando para ejercitarte. 3. Anota en qué superficie te fue más fácil bailar y explica por qué.

• Fricción estática

La fricción estática ocurre entre las superficies de cuerpos en reposo. Por ejemplo: un cuaderno que está sobre el suelo o una carreta que está sobre la grama del jardín. En la vida real es fácil constatar que un cuerpo puede estar en reposo y en otro momento puede estar en movimiento. Por ejemplo, una bicicleta puede estar parqueada y al minuto puede ser manejada por una niña a gran velocidad. O bien, puede estar en movimiento, y luego quedar completamente en reposo. Lo que ocurre en estos casos, es que la fricción cambia de estática a cinética o viceversa.

Para entender mejor, veamos el siguiente esquema:

Bloque de madera de 30 kg

Momento 1

Información: bloque de 30 kg en reposo. Existe fricción estática por el contacto entre la superficie del bloque y el suelo. Ninguna fuerza externa es aplicada.

Momento 2

F

Bloque de madera de 30 kg

Fricción estática

Momento 3

Bloque de madera de 30 kg Bloque de madera de 30 kg

Fricción cinética Información: bloque de 30 kg en reposo. Se le aplica una fuerza y la fricción estática entre la superficie del bloque y el suelo continúa.

Información: bloque de 30 kg en movimiento.

Se le aplica una fuerza y esta vence a la fricción estática. Ahora la fricción cinética es la que “frena o va en contra del movimiento”.

Ejercicio 25

Con base en tu experiencia, lee los enunciados e indica el tipo de fricción (cinética o estática) presente en cada situación. 1. Un cuadro colgado en la pared de una casa. 2. Una mujer que camina hacia el mercado de su comunidad. 3. Un tinaco que se encuentra ubicado en el patio de la casa.