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CAPÍTULO 3 / TEMA 1 Fuerzas CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LA FUERZA La fuerza está presente en nuestra vida diariamente, desde que nos levantamos en la mañana hasta que nos acostamos por la noche, incluso cuando estamos dormidos. Es un término que resulta muy familiar, ya que utilizamos la fuerza cuando pateamos una pelota, cuando levantamos un cuaderno, hasta cuando cerramos los ojos. Pero… ¿qué es la fuerza? Es la acción que realiza un cuerpo sobre otro, provocándole un efecto. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LAS FUERZAS FUERZA IMPARABLE La fuerza de gravedad que posee un agujero negro es tan grande que ni la luz puede escapar de ella. Todo cuerpo que posee masa realiza algún tipo de fuerza, desde el aire en la atmósfera hasta una caja que se encuentra sobre una mesa. Una fuerza es la acción que ejerce un cuerpo sobre otro, esto ocasiona una modificación en el estado de reposos o de movimiento del cuerpo. Por ejemplo, ejercemos una fuerza cuando levantamos una bolsa del suelo o cuando pulsamos el interruptor para encender la luz. Las fuerzas producen distintos efectos sobre los cuerpos en los que actúan. Los cuerpos que reciben una fuerza pueden: • Cambiar de forma de manera permanente o sólo por un momento, por ejemplo cuando moldeamos masa. • Cambiar el estado de movimiento del cuerpo, por ejemplo cuando pateamos una pelota y ésta deja el reposo para comenzar a moverse. TIPOS DE ACCIÓN DE LAS FUERZAS Un cuerpo empuja a otro: un hombre empujando un auto. Un cuerpo atrae a otro: la Tierra atrae a la Luna. Un cuerpo repele a otro: un imán repele a otro imán. Un cuerpo impulsa a otro: la cama elástica impulsa al niño. Un cuerpo frena a otro: el ancla impide que el barco se aleje. Acción de varias fuerzas sobre un cuerpo. Cuando ejercemos una fuerza sobre un cuerpo, éste puede cambiar de forma. ¿SABÍAS QUÉ? A diferencia de otras fuerzas, la gravedad nunca repele. • Cambiar la dirección del movimiento que realizan, por ejemplo cuando jugamos al tenis y devolvemos la pelota al otro jugador. • Aumentar o disminuir la velocidad del cuerpo, por ejemplo cuando aceleramos un automóvil. Para que se realice una fuerza debemos tener en cuenta que: • Debe haber dos cuerpos: para que actúe una fuerza sobre un cuerpo debe haber otro cuerpo en algún lugar que ejerza esa fuerza. • Un cuerpo no puede realizar una fuerza sobre él mismo: se necesita de otro cuerpo que ejerza la fuerza. • La fuerza que ejerce un cuerpo sobre otro siempre es en una única dirección: una fuerza no puede ejercerse en varias direcciones a la vez. Cuando se representa una fuerza, ya sea en una imagen o un dibujo, se utilizan vectores. Los vectores son flechas que poseen dirección, sentido y magnitud. Para que dos vectores sean iguales deben tener igual dirección, sentido y magnitud; si tenemos dos vectores con igual magnitud y dirección pero diferente sentido entonces estamos ante dos vectores opuestos. El vector A posee la misma dirección y magnitud pero sentido opuesto que el vector B. A B EXPERIMENTO: ¿POR QUÉ FLOTAN LOS BARCOS? Cortar la masa en pequeños cubos de 0,5 centímetros y amasarlos hasta darle la forma de una bolita. Introducirlos en un recipiente con agua y observar qué sucede. ¿Se hunden todas? Tomar una de las esferas de masa aplastarla para darle una forma plana, imitando a una barca. Tratar de situarla sobre la superficie del agua. ¿Qué sucede ahora? ¿Conseguiste que flote? Pasos a seguir Objetivo ¿Qué pasó? Comprobar el principio de Arquímedes, que establece que un cuerpo que se encuentra en un líquido recibe un empuje de abajo hacia arriba igual a la fuerza que ejerce el cuerpo. Cuando se aplana la masa posee mayor superficie de contacto con el agua y el peso se distribuye uniformemente a lo largo de toda la masa, por lo que el agua debe hacer menos fuerza para que ésta flote. Cuando la masa se encuentra en forma de bolita todo el peso se concentra en un punto por lo que el agua debe hacer una mayor fuerza de empuje. Al no poder igualar la que hacen las bolitas, éstas se hunden. - Masa para modelar (o plastilina). - Un recipiente con agua. Materiales TIPOS DE FUERZAS Las fuerzas se pueden clasificar en distintos tipos dependiendo del tiempo y de si están o no en contacto con el cuerpo que recibe la fuerza. Clasificación de las fuerzas según el tiempo • Fuerzas instantáneas: se trata de aquellas fuerzas que sólo interactúan con el cuerpo por un breve período de tiempo, esto le da al cuerpo un movimiento uniforme. • Fuerzas constantes: se trata de aquellas fuerzas que interactúan continuamente con el cuerpo, esto da lugar a movimientos acelerados. Clasificación de las fuerzas según el contacto • Fuerzas de contacto: son aquellas fuerzas que se producen por el contacto directo con el cuerpo que recibe la fuerza. FUERZAS DE CONTACTO Fuerza normal: es la que ejerce un cuerpo apoyado sobre una superficie, actúa de manera perpendicular al plano. Fuerza de empuje: cuando se sumerge un objeto en un líquido, aparece una fuerza de igual magnitud hacia arriba. Fuerza de tensión: un buen ejemplo para graficar esta fuerza es la que ejerce un cable ligado a un cuerpo. Fuerza de roce: se da cuando uno de los objetos se desliza sobre el otro y se opone al movimiento que éste hace. Si la fuerza que ejerce el líquido sobre el cuerpo es menor que la fuerza que ejerce el cuerpo sobre el líquido, entonces aquél se hunde. • Fuerzas a distancia: son aquellas fuerzas que se producen sin el contacto directo entre los cuerpos. Fuerza eléctrica: se da cuando hay dos cuerpos electrizados y se genera atracción o repulsión. Cuando las cargas eléctricas son de distinto signo se atraen, y cuando son del mismo se repelen. Fuerza magnética: en este caso, objetos magnetizados pueden atraerse o repelerse, y allí se da esta fuerza. Si las partículas tienen diferente carga se atraerán, y si tienen la misma carga se repelerán. Fuerza nuclear: se desarrolla en el núcleo de los átomos. La fuerza nuclear interviene cuando dos núcleos se acercan y se unen, lo que provoca su fusión. Fuerza gravitatoria: es una fuerza que ejerce una atracción por parte de un cuerpo sobre todos los objetos que se encuentran cerca de él. La ley de gravitación universal fue postulada por Isaac Newton. La microgravedad se produce cuando la gravedad es tan pequeña que tiene un efecto parecido a la falta de gravedad. Esto se produce cuando estamos en una montaña rusa o en vuelos que sigan una trayectoria en caída libre. ¿QUÉ ES LA MICROGRAVEDAD? UNIDADES DE MEDIDA DE FUERZA La fuerza es un elemento medible, esto quiere decir que a toda fuerza le corresponde un valor numérico. Este valor se representa mediante unidades de medida. Entre las unidades de medición de las fuerzas encontramos: • Newton (N): es una unidad de medida de la fuerza establecida por el Sistema Internacional de Unidades. Fue nombrada así en honor a Isaac Newton. Se trata de la interacción que ocurre entre dos cuerpos y que produce cambios en la velocidad. Se representa con la letra N. • Dina (dyn): es una unidad de fuerza establecida y utilizada por el sistema CGS (centímetro, gramo, segundo) que al ser aplicada sobre un objeto de un gramo de masa, le provoca una aceleración de un centímetro cada un segundo al cuadrado (s2). • Kilopondio (kp): llamado también kilogramo-fuerza. Es la unidad de fuerza en el Sistema Técnico de Unidades. Hace referencia al peso de un cuerpo de 1 kg de masa en la Tierra, con una gravedad de 9,81 m/s2 aproximadamente. LEYES DE FUERZA Leyes de Newton Isaac Newton estableció tres leyes acerca del movimiento de los cuerpos: La primera ley de Newton dice que “todo cuerpo en reposo o movimiento, mantiene su estado a menos que una fuerza modifique esta condición”. Para esto se basó en la teoría establecida por Galileo Galilei, en la que plantea que sin roce loscuerpos no se detienen. La segunda ley de Newton formula que todos los objetos que se encuentren en movimiento debido a una fuerza neta que actúa sobre ellos están cambiando constantemente la velocidad. La tercera ley de Newton dice que toda acción recibe una reacción con la misma magnitud pero con sentido opuesto a la fuerza aplicada. Esta fue la única ley de Newton definida en su totalidad por él, ya que la primera y segunda ley habían sido enunciadas anteriormente por otros científicos. La fuerza eléctrica (a) y la magnética (b) son fuerzas a distancia ya que los cuerpos no están en contacto directo. a) b) QUIERO SABER SOBRE... El peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un cuerpo con masa definida. Se calcula multiplicando la masa en kg por la gravedad en m/s2. El peso se expresa en Newton (N). Es el sistema métrico utilizado a nivel mundial (exceptuando sólo tres países), establecido en 1960 durante la XI Conferencia General de Pesas y Medidas. Este sistema abarca a siete unidades de medida fundamentales, como son: longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Leyes de Hooke La ley de Hooke o ley de elasticidad establece que el alargamiento que se produce en un cuerpo elástico es proporcional a la fuerza que se aplica en él. Esto quiere decir que cuanto más grande sea la fuerza que se aplica para estirar el cuerpo, mayor será su alargamiento. Esto se observa al estirar un resorte: si hacemos una fuerza pequeña para estirarlo, el resorte se alargará muy poco; en cambio si hacemos más fuerza, el resorte se alargará mucho más. NOMBRE Isaac Newton. FECHA DE NACIMIENTO 4 de enero de 1643, en la localidad de Woolsthorpe, Inglaterra. OCUPACIÓN Físico, matemático, inventor, alquimista. Isaac Newton describió la ley de gravitación universal, y fundó las bases de la mecánica clásica. Además de destacarse por sus aportes al campo de las Matemáticas, también estudió la luz y la óptica. Se lo ha catalogado como el científico más importante de la historia. La tercera ley de Newton, o ley de acción y reacción, puede observarse cuando golpeamos una pelota contra la pared o el piso: ésta vuelve con la misma fuerza pero en sentido opuesto. La ley de Hooke permite calcular cuánto se estirará un resorte dependiendo de la fuerza que se aplica. Los resortes son objetos que se deforman al experimentar una fuerza, pero luego recobran su posición y tamaño inicial. Son muy empleados en la industria, especialmente como partes de máquinas, tanto simples como complejas. LOS RESORTES X F
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