UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad De Ingeniería Industria y de Sistemas
MODULO Nº 1 LEYES DE NEWTON
ESTRATEGIAS EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA
MODULO Nº 1: LEYES DE NEWTON
FUERZA Se entiende como fuerza a cualquier acción o influencia que es capaz de modificar el estado de movimiento de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración a ese cuerpo. PRINCIPALES FUERZAS: PESO El peso es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre los cuerpos que hay sobre ella. En la mayoría de los casos se puede suponer que tiene un valor constante e igual al producto de la masa, m, del cuerpo por la aceleracion de la gravedad, g, cuyo valor es 9.8 m/s2 y está dirigida siempre hacia el suelo. LA NORMAL Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la de la superficie. De acuerdo con la Tercera ley de Newton, la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Esta fuerza es la que denominamos Normal y la representamos con N.
Si ponemos en dos balanzas iguales 1 kg de plomo y 1 kg de paja, ¿marcarán lo mismo? 1 kg de plomo y 1 kg de paja pesan lo mismo: 1 kg-f. Por lo tanto, las dos básculas deberían marcar lo mismo. Sin embargo no es así, ya que una báscula no indica el peso del objeto que se coloca encima, sino la fuerza que él mismo hace sobre ella. ¿Qué marcaría la báscula si colocásemos sobre ella un globo de feria? Evidentemente y a pesar de tener peso (la Tierra lo atrae como a todos los objetos que tienen masa), la báscula no marcaría nada, porque el globo se iría volando y no haría ninguna fuerza sobre ella. El plomo y la paja no hacen la misma fuerza sobre la báscula aunque su peso sea igual. Esto se debe a que el aire los empuja hacia arriba con una fuerza distinta. El aire, como todos los fluidos (gases y líquidos), ejerce una fuerza hacia arriba, denominada empuje, sobre los cuerpos que se encuentran en su interior. Esta fuerza es tanto mayor cuanto mayor sea el volumen del cuerpo (Volumen=Masa/Densidad; a menor densidad del cuerpo mayor volumen). Como 1 kg de paja tiene un volumen mucho mayor que 1 kg de plomo, el empuje del aire sobre la paja es también mucho mayor que sobre el plomo. La báscula que tiene la paja, marcará por tanto un poco menos (la diferencia es pequeña, aproximadamente 1 gfuerza).
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FUERZA DE ROZAMIENTO: La fuerza de rozamiento es una fuerza que aparece cuando hay dos cuerpos en contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento de los cuerpos. Es la causante, por ejemplo, de que podamos andar (cuesta mucho mas andar sobre una superficie con poco rozamiento, hielo, por ejemplo, que por una superficie con rozamiento como, por ejemplo, un suelo rugoso).
LEYES DE NEWTON
PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE INERCIA La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).
SEGUNDA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DINAMICA La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F=ma
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TERCERA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO DE ACCION O REACCION La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, este realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario. 4
EXPERMIENTO Nº 01
UN EXPERIMENTO SOBRE LA FUERZA VIVA Y EL MOVIMIENTO
Atar con un hilo ambos extremos largos de un broche para ropa para que permanezca abierto. Colocarlo en el centro de una mesa larga y apoyar dos lápices de aproximadamente igual tamaño en cada lado del mismo, en contacto con los extremos atados del broche. Quemar el hilo con cuidado (ver la figura) y observar los lápices. Serán proyectados en direcciones opuestas. Repetir el experimento empleando dos lápices más largos, de igual peso y tamaño. ¿Qué se observa? Comparar con los resultados anteriores. Repetir empleando en un lado un lápiz más grande y pesado y en el otro uno pequeño y más liviano. ¿Qué se observa? Si se pueden conseguir algunas bolillas de metal o bolitas comunes, repetir la experiencia usando distintas combinaciones de bolillas metálicas o bolitas. ¿Qué conclusiones se ex- traen de este experimento?
PARADOJA DEL BURRO "Había una vez un burro muy flojo que, utilizando sus supuestos conocimientos de física, no quería jalar la carreta. El burro le decía a su dueño: - ¿Para qué quieres que jale la carreta, si según la tercera ley de Newton, a toda acción corresponde una fuerza de reacción igual en magnitud pero sentido contrario? Si yo jalo la carreta con cierta fuerza, según lo que afirma la tercera ley, la carreta me jalará a mi con la misma fuerza pero en sentido contrario. De manera que ¿para qué jalo la carreta si a mí, decía el burro, me va a jalar ésta con la misma fuerza y así no voy a avanzar?" (SEP, 1997. Libro del Maestro, p. 103)
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MÁQUINAS SIMPLES Una máquina simple es un dispositivo que modifica una fuerza. Su objeto es ejercer una fuerza sobre un cuerpo, que sea distinta a la aplicada sobre la maquina desde el exterior. PALANCAS Una palanca consiste simplemente en una barra rígida que gira en torno a algún punto a lo largo de la misma. El punto de pivote se conoce con el nombre de fulcro o punto de apoyo y no es en éste donde se aplica el esfuerzo y la carga. Son posibles 3 configuraciones distintas que se denominan palancas de primer, segundo y tercer género. En una palanca de primer género, el esfuerzo y la carga se encuentran en lados opuestos del punto de apoyo.
En una palanca de segundo género, la carga se coloca entre el esfuerzo y el punto de apoyo.
En una palanca de tercer género, el esfuerzo se sitúa entre la carga y el punto de apoyo. Estas palancas no son tan comunes como las de primer y segundo género.
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POLEAS Una polea es una rueda, generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el concurso de una cuerda o cable que se hace pasar por el canal, se usa como elemento de transmisión en máquinas y mecanismos para cambiar la dirección del movimiento o su velocidad y formando conjuntos (denominados aparejos o polipastos) para además reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
RUEDA Y EJE Cuando una rueda gira libremente sobre un cojinete, funciona como una polea, situación radicalmente distinta a la de una rueda conectada rígidamente a un eje de manera que los dos giren juntos. La rueda y el eje pueden utilizarse para generar una gran ventaja mecánica (por ejemplo un destornillador o el volante de dirección de un automóvil) o, en sentido opuesto, para producir una gran ventaja de velocidad (por ejemplo, el juego de la rueda dentada y pedales de una bicicleta). EXPERIMENTO Nº 02
¿DE DONDE PROVIENE UN PLANO INCLINADO?
Recortar un triángulo rectángulo, de papel blanco o de embalar cuyos catetos midan, respectivamente, 30 y 15 cm. Sobre una varilla cilíndrica de unos 20 cm de largo enrollar la hoja de papel comenzando por el cateto menor y yendo hacia el vértice del triángulo. Cuidar de mantener siempre el otro cateto perpendicular a la varilla y observar que el plano inclinado, es decir, la hipotenusa, se enrolla en espiral a lo largo de la varilla de la misma forma que la rosca de un tornillo.
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¿QUÉ ES BIOMECÁNICA? La biomecánica es un conjunto de conocimientos derivados de la física que tienen como objetivo estudiar los efectos de las fuerzas mecánicas sobre los sistemas orgánicos de los seres vivos y sus estructuras, para predecir cambios por alteraciones y proponer métodos de intervención artificial que mejoren el desempeño. Como se menciona al inicio de este artículo, las principales aplicaciones están relacionadas con las áreas médica, deportiva, ocupacional, industrial, ambiental y, específicamente, con la industria del calzado.
CENTRO DE GRAVEDAD El centro de gravedad es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales de un cuerpo, de tal forma que el momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales que constituyen dicho cuerpo. En otras palabras, el centro de gravedad de un cuerpo es el punto respecto al cual las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo producen un momento resultante nulo.
Práctica 1
OBTENCIÓN DE UNA LEY FÍSICA Objetivo: Obtener una ley física como resultado de experimentar con las deformaciones sufridas por un cuerpo elástico al aplicarle una fuerza. Consideraciones teóricas Una ley física se obtiene cuando después de observar minuciosamente un problema, plantear una hipótesis y realizar una experimentación repetida, se obtiene resultados, los cuales permiten concluir que siempre y cuando existan las mismas condiciones que originan un fenómeno, este se repetirá sin ninguna variación. Por lo tanto, existe una relación de causa-efecto en toda ley física. Una ley física se enuncia de tal manera que exprese las condiciones en las cuales se produce un fenómeno físico. Un
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ESTRATEGIAS EN LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA cuerpo elástico es aquel que recupera su forma original cuando desaparece la fuerza causante de la deformación. Algunos ejemplos elásticos son los: resortes, ligas y bandas de hule, pelotas de tenis y de fútbol. La deformaron sufrida por un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza recibida, en otras palabras, si la fuerza aumenta la deformación aumenta y si la fuerza disminuye la deformación en una mismo proporción, por esta razón existe entre ellas una relación directa. Hipótesis: Existe una relación directa entre el alargamiento de un cuerpo elástico y la fuerza que recibe. Material empleado: Un soporte, un resorte, cuatro pesas, una regla graduada y una aguja indicadora. Desarrollo experimental: 1. Monte un dispositivo como el de la figura 1, observe en la regla graduada que longitud inicial señala la aguja antes de colocarle alguna pesa al resorte y anote la medida. 2. Ponga una pesa de 5g en la parte inferior del resorte y mida con la regla graduada cual es su alargamiento. Después coloque una pesa de 10 g y mida nuevamente el alargamiento del resorte. Repita la misma operación pero ahora con 15 g y después con 20g (puede hacer su experimento usando pesas diferentes a las descritas, esto depende de la elasticidad que tenga su resorte). Repita su experimento cuando menos 3 veces a fin de confirmar los datos obtenidos. 3. Haga un cuadro de datos con los resultados obtenidos de la siguiente manera: F=peso(g) 5 10 15 20 …
L=alargamiento(cm.)
F/L=(g/cm.)
4. La tercera columna del cuadro de datos la llenará al dividir para cada caso la fuerza aplicada (F), equivalente al peso soportado por el resorte, entre el alargamiento (L) que sufre. 5. Con los datos del cuadro construya una grafica F vs. L, colocando en el eje de las ordenadas o de las y los datos de la fuerza y en el eje de las abscisas o de las x y sus correspondientes alargamientos. Una los puntos obtenidos (figura 1) 6. La línea recta obtenida al unir los puntos y representada por la letra k recibe el nombre de constante del resorte o modulo de elasticidad. Determine, mediante el calculo de la tangente de la recta, misma que valdrá a la hipotenusa (Fig. 1) su tangente será igual a:
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CUESTIONARIO: 1. ¿Cómo fue el valor obtenido para la relación F/L en cada uno de los casos? Igual o diferente. 2. ¿El valor de la pendiente que obtuvo fue igual al obtenido al dividir F/L? 3. ¿Cómo definirá la constante del resorte, es decir, k? 4. ¿Qué sucedería al resorte si colocara una pesa muy grande? 5. ¿Se comprobó la hipótesis? Justifique su respuesta 6. Enuncie una ley física con base a los resultados obtenidos
ACTIVIDADES VIRTUALES
Estimado Docente: A continuación, deberás de visitar las siguientes páginas de internet; referente al módulo desarrollado Priorizando su aplicación en el aula.
http://redescolar.ilce.edu.mx/educontinua/conciencia/fisica/newton/nw3.htm http://experimentoscaseros.net/2010/10/inercia-y-leyes-de-newton/
Luego deberás de remitir un breve informe redactando; como incorporarías la información de la página web, en tus clases de Física; al siguiente email:
estrategias.fisica.uni@gmail.com
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