Física para Docentes de Educación Primaria (Volumen 31) PDF

i1 COORDINACIÓN EDUCATIVA Y CULTURAL CENTROAMERICANA Colección Pedagógica Formación Inicial de Docentes Centroamericanos de Educación Primaria o Básica Física para Docentes de Educación Primaria José Alberto Villalobos Morales Volumen 31 530.7 V716f Villalobos Morales, José Alberto Física para docentes de educación primaria / José Aberto Villalobos Morales. – 1ª- ed.-- San José, C.R. : Coordinación Educativa y Cultural Centroamericana, CECC/SICA, 2009. 136 p. : il. ; 28 x 21 cm. – (Colección Pedagógica Formación Inicial de Docentes Centroamericanos de Educación Básica; n. 31) ISBN 978-9968-818-78-0 1. Física – estudio y enseñanza. 2. Capacitación de docentes. I. Título. CRÉDITOS La elaboración y publicación de esta colección fueron realizadas con la contribución econó- mica del Gobierno Real de los Países Bajos, en el marco del Proyecto Consolidación de las Acciones del Mejoramiento de la Formación Inicial de Docentes de la Educación Primaria Básica, CECC/SICA María Eugenia Paniagua Padilla Lidiette Umaña Muñoz Secretaria General de la CECC/SICA Lectura y Adecuación de Contenidos Juan Manuel Esquivel Alfaro Adriana Montanaro Mena Director del Proyecto Diagramación José Alberto Villalobos Morales Arnobio Maya Betancourt Autor del Texto Coordinador y Asesor de la Edición Final y de la Reimpresión Rolando Berty Jackson Revisión y Asesoría del Contenido Impresión Litográfica Editorama, S.A. Liliana Ureña Cascante Revisión Filológica Para la impresión de esta 2ª. edición, (1ª. aún para el registro del ISBN) se ha respetado el contenido original, la estructura lingüística y el estilo utilizado por el autor, de acuerdo con un contrato firmado para su producción por éste y la Coordinación Educativa y Cultural Centroamericana, CECC/SICA. DE CONFORMIDAD CON LA LEY DE DERECHOS DE AUTOR Y DERECHOS CONEXOS ES PROHIBIDA LA REPRODUCCIÓN, TRANSMISIÓN, GRABACIÓN,FILMACIÓN TOTAL Y PARCIAL DEL CONTENIDO DE ESTA PUBLICACIÓN, MEDIANTE LA PUBLICACIÓN DE CUALQUIER SISTEMA DE REPRODUCCIÓN,INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO. LA VIOLACIÓN DE ESTA LEY POR PARTE DE CUALQUIER PERSONA FÍSICA O JURÍDICA, SERÁ SANCIONADA PENALMENTE. PRESENTACIÓN A finales del año 2002 y comienzos del 2003, así rezan los respectivos colofones, la Coordinación Educativa y Cultural Centroamericana, (CECC/SICA), publicó y entregó treinta y seis interesantes obras que estructuraron la Colección Pedagógica Formación Inicial de Docentes Centroamericanos de Educación Primaria o Básica. Dichas publicaciones se originaron en el marco del Proyecto Apoyo al Mejoramiento de la Formación Inicial de Docentes de la Educación Primaria o Básica, el que se generó y se puso en ejecución, merced al apoyo que ha brindado la Cooperación Internacional del Gobierno Real de los Países Bajos. Para desarrollar dichas obras, la CECC/SICA realizó una investigación diagnóstica en los países que forman parte orgánica de la institución, la cual permitió identificar, con mucha claridad, no sólo las temáticas que serían abordadas por los autores y autoras de las obras de la Colección, sino también las estrategias que debían seguirse en el proceso de diseño y producción de la misma, hasta colocar los ejemplares asignados en cada uno de los países, mediante sus respectivos Ministerios o Secretarías de Educación. Los mismos materiales trataron de responder a los perfiles investigados de los formadores y de los maestros y de las maestras, así como a los respectivos planes de estudio. Como podrá visualizarse en la información producida en función del Proyecto, cuyo inicio se dio en Diciembre de 1999, los programas que se han implementado en el marco del mismo son los siguientes: 1º. Desarrollo del perfil marco centroamericano del docente de Educación Primaria o Básica para mejorar el currículo de formación inicial de docentes. 2º. Mejoramiento de la formación de formadores de docentes para la Educación Primaria o Básica. 3º. Producción de recursos educativos para el mejoramiento del desarrollo del currículo de formación inicial de docentes de la Educación Primaria o Básica. 4º. Innovaciones pedagógicas. 5º. Investigación Educativa. La Colección publicada y distribuida, a la que aludimos, pretende ofrecer a los países obras didácticas actualizadas e innovadoras en los diferentes temas curriculares de la Educación Primaria o Básica, que contribuyan a dotar de herramientas estratégicas, pedagógicas y didácticas a los docentes Centroamericanos para un eficaz ejercicio de su práctica educativa. Después de publicada y entregada la Colección a los países destinatarios, la CECC/SICA ha hecho el respectivo seguimiento, el cual muestra el acierto que, en alta proporción, ha tenido la organización, al asumir el diseño, la elaboración, la publicación y su distribución. Basada en estos criterios, es como la CECC/SICA y siempre con el apoyo de la Cooperación Internacional del Gobierno Real de los Países Bajos, ha decidido publicar una segunda edición de la colección (36 volúmenes) y a la cual se le suma un nuevo paquete de 14 volúmenes adicionales, cuya presentación de la 1ª edición se hace en éstos, quedando así constituida por 50 volúmenes. Nuevamente presentamos nuestro agradecimiento especial al Gobierno Real de los Países Bajos por la oportunidad que nos brinda de contribuir, con esta segunda edición de la Colección, a la calidad de la Educación Primaria o Básica de la Región Centroamericana y República Dominicana. MARIA EUGENIA PANIAGUA Secretaria General de la CECC/SICA PRESENTACIÓN DE LA PRIMERA EDICIÓN En los últimos años, la Coordinación Educativa y Cultural Centroamericana (CECC) ha venido ejecutando importantes proyectos que, por su impacto y materia, han complementado los esfuerzos ministeriales por mejorar y modernizar la Educación. Los proyectos de más reciente aprobación, por parte del Consejo de Ministros, están direccionados a enfrentar graves problemas o grandes déficits de los sistemas educativos de nuestra región. Este es el caso de Proyecto “ Apoyo al Mejoramiento de la Formación Inicial de Docentes de la Educación Primaria o Básica”, cuyo desarrollo ha conducido a una exhaustiva revisión de los diversos aspectos relacionados con la formación de los maestros. Sus resultados son evidentes en cada país y con ello la CECC cumple su finalidad de servir cada vez mejor a los países miembros. En este caso, ha de recordarse que este valioso proyecto es el producto de los estudios diagnósticos sobre la formación inicial de docentes ejecutados en cada una de las seis repúblicas centroamericanas en el año 1966, los cuales fueron financiados con fondos donados por el Gobierno de los Países Bajos. Entre las conclusiones y recomendaciones formuladas en el Seminario Centroamericano, una de las actividades finales del estudio indicado, el cual fue realizado en Tegucigalpa, Honduras, en septiembre de ese mismo año, los participantes coincidieron plenamente en poner especial atención a la formación de los formadores y en promover la “tercerización” de la formación de los maestros donde no existiere. También, hubo mayo- ría de opiniones sobre la necesidad de establecer perfiles del formador y de los maestros y respecto a la actualización de los respectivos planes de estudio. Por consiguiente, es apropiado afirmar que el contenido de este proyecto, orientado a mejorar la formación inicial de docentes, se sustenta en los seis diagnósticos nacionales y en el informe regional que recoge los principales resultados del Seminario Regional y la información más útil de los informes nacionales. Como consecuencia del trabajo previo, explicado anteriormente, y de las conversaciones sostenidas con los funcionarios de la Embajada Real sobre los alcances y el presupuesto posible para este proyecto, final- mente se aprobó y dio inicio al mismo en diciembre de 1999 con los siguientes programas: 1. Desarrollo del perfil marco centroamericano del docente de Educación Primaria o Básica para mejorar el currículo de formación inicial de docentes. Con base en este perfil se construyeron los perfiles nacionales, los que sustentaron acciones de adecuación de los currículos de formación inicial de docentes en cada país. 2. Mejoramiento de la formación de formadores de docentes para la Educación Primaria o Básica. Con el propósito de definir perfiles académicos de los formadores de docentes que den lugar a planes de estudio de grado y de postgrado. 3. Producción de recursos educativos para el mejoramiento del desarrollo del currículo de formación inicial de docentes de la Educación Primaria o Básica. Dirigido a editar obras bibliogáficas y a producir materiales interactivos que se empleen en las aulas de formación de maestros. 4. Innovaciones pedagógicas. Consistente en poner en práctica y evaluar innovaciones pedagógicas en el campo de la formación inicial y en servicio de docentes. 5. Investigación Educativa. Desarrollo de investigaciones sobre temas dentro de la formación inicial de los docentes del Nivel Primario. Es oportuno destacar cómo la cooperación financiera y técnica del Gobierno de los Países Bajos, a través de su Embajada Real en San José, Costa Rica, ha sido no solo útil a los Ministerios de Educación del Área, por centrarse en uno de los factores determinantes de la calidad de la Educación, sino también porque ha permitido, en dos momentos, completar una propuesta de trabajo que ha impactado y que ha abierto nuevas vertientes de análisis y reflexión de la formación inicial de docentes para la Educación Primaria. Con esta Presentación se quiere exaltar la importancia y trascendencia del Programa 3, en el que se enmar- ca la elaboración de las obras bibliográficas, orientadas a solventar, en alguna medida, la falta de disponi- bilidad de textos referenciales de actualidad en el campo educativo, que contribuyan a elevar la calidad de la formación profesional de los maestros y la de sus formadores, donde ello sea una necesidad. Además, de que la colección se pone en manos de quienes forman educadores para la Educación Primaria y de los estudiantes de pedagogía. Todo esto es producto del conocimiento y la experiencia de profesionales cen- troamericanos que han consagrado su vida a la educación y al cultivo de los diversos saberes. Llegar a la definición de las obras y sus títulos fue un largo y cuidadoso proceso en el que intervinieron diversos pro- fesionales de la región, de acuerdo con el concurso establecido y publicado para tales efectos. Es importante apuntar que las obras que integran esta colección de valor incalculable, cubren los principa- les temas curriculares y técnico-pedagógicos que deben acompañar a un adecuado proceso de formación inicial de docentes. Por ello, van desde los temas fundamentales de Educación, el Currículo, Ejes Transversales, la Didáctica, la Evaluación, la Supervisión y Administración Educativa, hasta temas metodológicos y estra- tégicos específicos relacionados con el conocimiento teórico y con la enseñanza de la Ciencias Sociales, la Matemática, las Artes, el Lenguaje, las Ciencias Sociales y la Investigación Educativa. En su elaboración se siguió un proceso de amplia participación, dentro del cual se recurrió a jueces que analizaron las obras y emitieron sus comentarios y recomendaciones enriquecedores en algunos casos y correctivos en otros. En este proceso, los Ministerios de Educación de la región tuvieron un papel fundamental al promover dicha participación. Esta Secretaría General considera que la rica colección, por la diversidad temática, visión y actualidad, es un aporte sustantivo, muy visible, manejable y de larga duración, que el Gobierno de los Países Bajos, a través de la CECC, le entrega gratuitamente a las instituciones formadoras de educadores y a las depen- dencias de los Ministerios de Educación, encargadas de este campo. Del buen uso que hagan formadores y formados del contenido de esta colección de obras, va a depender, en definitiva, que el esfuerzo de muchos profesionales, realizado en el marco de la CECC, genere los resultados, el impacto y las motivaciones humanas y profesionales de quienes tendrán en las aulas centroamericanas el mayor tesoro, la más grande riqueza, de nuestras naciones: las niñas y los niños que cursan y cursarán la Educación Primaria. El aporte es objetivo. Su buen uso dependerá de quienes tendrán acceso a la colección. Los resultados finales se verán en el tiempo. Finalmente, al expresar su complacencia por la entrega a las autoridades de Educación y al Magisterio Centroamericano de obras tan valiosas y estimulantes, la Secretaría General resalta la importancia de las alianzas estratégicas que ha logrado establecer la CECC, con países y agencias cooperantes con el único espíritu de servir a los países del Área y de ayudar a impulsar el mejoramiento de la educación en los paí- ses centroamericanos. En esta ocasión, la feliz alianza se materializó gracias a la reconocida y solidaria vocación de cooperación internacional del Gobierno de los Países Bajos y, particularmente, a los funcio- narios de la Embajada Real, quienes con su apertura, sensibilidad y claridad de sus funciones hicieron posible que la CECC pudiese concluir con tanto éxito un proyecto que nos deja grandes y concretas res- puestas a problemas nuestros en la formación de maestros, muchas enseñanzas y deseos de continuar tra- bajando en una de las materias determinantes para el mejoramiento de la calidad de la Educación. MARVIN HERRERA ARAYA Secretario General de la CECC Física para docentes de educación primaria Contenido Capítulo I. Cantidades fundamentales.................................. 3 La unidad de longitud: el metro (m)................................................ 3 La unidad de tiempo: el segundo (s)............................................... 4 La unidad de masa: el kilogramo (kg).............................................. 4 Sistema Internacional de Unidades (SI)............................................. 5 Las unidades suplementarias del SI................................................ 6 Las mediciones................................................................ 7 Las cantidades derivadas........................................................ 8 Conversiones de unidades........................................................ 8 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 10 Referencias.................................................................. 11 Capítulo II. Movimiento.................................................. 13 La posición de un cuerpo....................................................... 14 Movimiento y velocidad........................................................ 14 Movimiento y aceleración...................................................... 15 Movimiento uniformemente acelerado............................................. 16 Caída libre de los cuerpos....................................................... 19 Movimiento circular........................................................... 20 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 23 Referencias.................................................................. 24 Capítulo III. Fuerzas en la naturaleza................................. 25 Características de las fuerzas.................................................... 26 Primera ley de Newton......................................................... 27 Segunda ley de Newton........................................................ 27 La unidad de fuerza: el newton (N)............................................... 28 Tercera ley de Newton......................................................... 29 Peso y masa.................................................................. 31 La fuerza de rozamiento........................................................ 32 Fuerza elástica................................................................ 33 Gravitación universal.......................................................... 34 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 37 Referencias.................................................................. 38 Capítulo IV. Cantidades vectoriales................................... 39 Escalares y vectores........................................................... 39 Representación gráfica de vectores............................................... 39 Suma y resta de vectores....................................................... 40 Ímpetu y su conservación....................................................... 42 Colisiones de dos partículas..................................................... 43 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 46 Referencias.................................................................. 46 Capítulo V. Energía y su conservación................................. 47 Trabajo..................................................................... 47 La unidad de trabajo: el joule (J)................................................. 48 Trabajo y energía cinética....................................................... 49 Potencia..................................................................... 51 Energía potencial............................................................. 52 Conservación de la energía mecánica.............................................. 53 Energía potencial elástica....................................................... 54 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 57 Referencias.................................................................. 58 Capítulo VI. Fluidos..................................................... 59 Densidad.................................................................... 59 Presión..................................................................... 60 Presión hidrostática............................................................ 61 Manómetros................................................................. 63 Presión atmosférica y barómetros................................................. 64 Principio de Arquímedes........................................................ 66 Flotación.................................................................... 68 Líquidos en movimiento........................................................ 69 Ecuación de continuidad........................................................ 70 Ecuación de Bernoulli.......................................................... 71 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 73 Referencias.................................................................. 74 Capítulo VII. Calor y temperatura...................................... 75 Energía interna............................................................... 75 Calor....................................................................... 77 Transmisión del calor.......................................................... 77 Temperatura................................................................. 77 La escala Celsius.............................................................. 78 La escala Kelvin.............................................................. 79 Calor específico.............................................................. 80 Calorimetría................................................................. 81 Calor de fusión y de vaporización................................................ 82 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 83 Referencias.................................................................. 83 Capítulo VIII. Ondas y sonido............................................ 85 Ondas mecánicas.............................................................. 85 Tipos de ondas............................................................... 86 Amplitud y longitud de onda.................................................... 87 Frecuencia y velocidad de propagación............................................ 88 Sonido y su propagación........................................................ 89 Intensidad tono y timbre........................................................ 90 Efecto Doppler............................................................... 91 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................. 93 Referencias.................................................................. 94 Capítulo IX. Electromagnetismo....................................... 95 Estructura atómica............................................................ 95 Carga eléctrica............................................................... 96 Corriente eléctrica............................................................. 96 Conductores y aisladores....................................................... 98 Diferencia de potencial o voltaje................................................. 98 Resistencia eléctrica........................................................... 99 Potencia eléctrica............................................................ 100 Efecto térmico de la corriente................................................... 101 Efecto magnético de la corriente................................................ 102 Pilas y baterías.............................................................. 103 Circuitos eléctricos........................................................... 104 Resolución de circuitos simples................................................. 104 Aparatos eléctricos en el hogar.................................................. 109 Bombillos y fluorescentes...................................................... 110 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................ 111 Referencias................................................................. 112 Capítulo X. Óptica GeomÉtrica......................................... 113 Fuentes y rayos luminosos..................................................... 113 Naturaleza y propagación de la luz.............................................. 114 Reflexión de la luz........................................................... 114 Refracción de la luz.......................................................... 115 Espejos, prismas y lentes...................................................... 118 Ejercicios y actividades de laboratorio............................................ 122 Referencias................................................................. 123 1 INTRODUCCIÓN Este libro de texto está diseñado para proveer al estudiante que intenta ser educador de enseñanza primaria, con los conocimientos básicos mínimos de Física, para que pueda desenvolverse con capacidad cuando realice su trabajo como docente, en la disciplina más amplia que normalmente denominamos ciencias. También le puede servir como referencia para atender las consultas que inevitablemente le harán los estudiantes interesados en ampliar conocimientos, auque el programa de estudios desarrollado en la institución no los abarque, o sea menos ambicioso. Referencias para ampliar conocimientos, conceptos y habilidades en el campo de la Física, se encuentran al final de cada capítulo (ligas a la Internet), más una bibliografía general en la página 119. Se ha partido del supuesto de que el curso se imparte a nivel universitario básico, o su equivalen- te, pero en todo caso, después de haber concluido el ciclo de Enseñanza Media. Por tal motivo se presuponen conocimientos satisfactorios de aritmética, álgebra, geometría y trigonometría elemental. El manejo apropiado de notación científica y de calculadoras le será de gran ayuda. Los supuestos conocimientos de Física son al menos semejantes a los que tendrá que enseñar como docente en el curso de ciencias de primaria, y como máximo, lo que acaba de recibir en su clase de Física de Enseñanza Media. Ninguna institución educativa de prestigio tomará como punto de partida para sus cursos, que sus estudiantes no conservan un dominio aceptable sobre lo que estudiado en las asignaturas previas. Si así lo hace estaría fomentando el estancamiento de sus estudiantes, no favorecerá su desarrollo y progreso y los hará cada vez más dependientes. Por eso usted encontrará que el planteamiento de los conceptos, el desarrollo de los ejemplos y el planteo de los ejercicios en este libro, supone un conocimiento mínimo aceptable, el que se espe- ra de una persona que se desempeñe apropiada y eficientemente en la sociedad. No se desespere si encuentra algo totalmente desconocido, tanto en la parte conceptual, como en la resolución de problemas. Eso es bueno, porque entonces usted va a lograr un aprendizaje de algo nuevo. Si lo toma con calma, buena voluntad e interés, seguro que podrá dar respuesta a la mayoría de los problemas que encuentre en su vida. Solicite ayuda solo cuando esta sea realmente indispensable, encontrará que esta es una excelente manera para crecer como ser humano, en todos sus aspectos. Atentamente, José Alberto Villalobos Morales Zapote, San José, Costa Rica, 1 de febrero de 2003 [email protected] http://www.geocities.com/astrovilla2000 Capítulo I Cantidades Fundamentales En cualquier disciplina científica que usted se imagine, tal como la Astronomía, la Biología, la Física, la Geología o la Química, lo mismo que en las actividades tecnológicas y en casi cualquier actividad humana, es necesario manipular cantidades físicas, realizar mediciones, estimaciones y cálculos. Por ese motivo la comunidad científica, de común acuerdo, ha llegado a establecer el Sistema Internacional de Unidades (SI), constituido por siete unidades básicas y dos suplementa- rias, con las cuales se puede expresar cualquier cantidad física que encontremos en el estudio de las ciencias y las actividades tecnológicas. Las definiciones de esas cantidades fundamentales o básicas se dan a continuación y comenzaremos por las tres de uso más común, con las que usted posiblemente haya tenido que trabajar. La unidad de longitud: El metro (m) Para medir la distancia en línea recta de un punto a otro (por ejemplo, de su casa a la institución donde estudia) se definió la unidad de longitud denominada metro, que representamos con el sím- bolo m (no es permitido usar ms o mts). El metro se determinó originalmente para representar una distancia relacionada con la Tierra, de tal manera que el metro patrón se consideraba una diezmillonésima parte de un cuadrante de meridiano terrestre (desde el polo hasta el ecuador). Se hicieron unas cuantas mediciones (evi- dentemente no de todo el cuadrante), se realizaron algunas estimaciones y se produjo un metro patrón de un material que sufre cambios mínimos cuando varía la temperatura. Este patrón se guarda en la Oficina de Pesos y Medidas en París, Francia. Posteriores avances de la ciencia y la tecnología han permitido redefinir el metro en términos de cantidades atómicas, que son más exactas y prácticamente imperecederas. Un múltiplo muy usado del metro es el kilómetro (km), equivalente a mil metros, el cual se usa mucho para indicar distancia a lo largo de carreteras. Actualmente tiende a desaparecer el uso del decámetro (10 m) y el hectómetro (100 m), ya que mediciones como 4 decámetros o 3 hectómetros, se expresan fácilmente como 40 m y 0,3 km, respectivamente. Los submúltiplos del metro, como el milímetro (mm), el centímetro (cm) y el decímetro (dm) son muy usados en actividades cotidianas. Sin embargo, en los diferentes campos de la ciencia moder- na, a veces se requiere de submúltiplos mucho más pequeños como el micrómetro (µm) y el nanómetro (nm), cuyas equivalencias son las siguientes: 1 m = 1.000.000 µm = 106 m 1 m = 1.000.000.000 nm = 109 nm 4 La unidad de tiempo: el segundo (s) En la naturaleza los acontecimientos parecen ocurrir en una cierta dirección o sentido, por ejemplo, un ser vivo nace, crece, envejece y muere. El Sol sale por el Este alrededor de las 6 a. m., sube hasta su punto más alto cerca de las doce y se oculta por el Oeste alrededor de las 6 p. m. Nunca vemos, por así decirlo, la película de la naturaleza proyectada en sentido opuesto; el progreso de los fenómenos naturales está marcado por la flecha del tiempo y viceversa. Para medir el tiempo siempre nos hemos basado en el movimiento, es decir, en un conjunto de fenómenos naturales que se repiten con mucha regularidad. Lo que esperamos, entre dos repeti- ciones sucesivas, es lo que llamamos una unidad de tiempo. Así, el tiempo entre dos salidas con- secutivas del Sol es un día y el tiempo que tarda el Sol en regresar al mismo punto, con respecto a las estrellas de fondo, es un año. El segundo es la unidad de tiempo en el Sistema Internacional de Unidades y se definió original- mente como una cierta parte del período de rotación de la Tierra sobre su propio eje (un día). Sin embargo, tecnología moderna y métodos más precisos han permitido determinar el segundo en términos de variables atómicas más exactas y precisas. El símbolo para el segundo es s (no debemos usar seg o segs). Para todos los procesos cotidianos podemos considerar que: 1 minuto = 60 segundos 1 hora = 60 minutos = 3.600 s 1 día = 24 horas =86.400 s Los astrónomos han encontrado que la rotación de la Tierra no tarda exactamente 24 horas y que su revolución requiere 365 días, 5 horas, 48 minutos y 46 segundos, pero esos datos corresponden a mediciones posteriores que no afectan la definición de la unidad de tiempo. Los tiempos muy cortos, como milésimas y millonésimas de segundo, se expresan por medio de los respectivos submúltiplos: el milisegundo (ms) y el microsegundo (µs). ¿Sabe usted cuánto es un nanosegundo (ns)? Averígüelo. La unidad de masa: el kilogramo (kg) La masa es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo y su unidad dentro del Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). No se debe usar kgr ni kgs. En el lenguaje cotidiano ocurre una ambigüedad entre los conceptos de masa y de peso y sus res- pectivas unidades. La masa, al representar la cantidad de materia de un cuerpo, es una constante, independiente del lugar del espacio donde el cuerpo esté. Por el contrario, el peso es la fuerza de atracción gravitatoria ejercida sobre el cuerpo por la Tierra, o por el planeta o satélite donde se encuentre. El peso depende entonces del lugar donde esté el cuerpo, mientras que la masa no. La situación se vuelve un tanto compleja porque usamos (en el lenguaje cotidiano) la misma palabra (kilogramo) para la unidad de masa y para la unidad de peso, pero con significado diferente. 5 Por ejemplo, si decimos que la masa de un cuerpo es 20 kilogramos, nos referimos a su cantidad de materia, pero si decimos que el peso del cuerpo es 20 kg, seguramente nos referimos a la fuerza con que la Tierra lo atrae. Algunas personas prefieren decir, en este último caso, que el peso es 20 kilogramos fuerza (20 kgf), interpretando un kilogramo fuerza como el peso, en la Tierra, de un cuerpo de un kilogramo de masa. Para determinar tanto el peso como la masa de un cuerpo, lo colocamos en una balanza. En reali- dad la balanza es un aparato diseñado para comparar fuerzas, pero como la masa y el peso en un mismo lugar están ligados por una ecuación simple, la balanza puede darnos tanto la masa (en kilogramos) como el peso (en kilogramos fuerza u otra unidad), lo único que se requiere es un cambio en su carátula o escala. El peso de un cuerpo se determina multiplicando el valor de su masa (m) en kilogramos por el campo gravitatorio terrestre (g), que en promedio tiene una magnitud de 9,8 newton/ kilogramo. peso = m g (1. 1) Esta es una de las razones por las cuales los científicos expresan el peso en newton (N), para colaborar con la distinción entre masa y peso, usando unidades diferentes. La otra es, que el kilo- gramo fuerza (kgf) no forma parte del Sistema Internacional de Unidades, mientras que el newton (N) es la unidad oficial para expresar fuerza (o peso). Un cuerpo con una masa de 1 kg es atraído hacia el centro de la Tierra con una fuerza de 9,8 newton, es decir, su peso es 9,8 N. Podemos ver entonces que el kgf al cual nos referimos (tal vez sin pensarlo) al decir "peso tantos kilos", en realidad equivale a 9,8 newton. El kilogramo se definió originalmente como la masa de 1 decímetro cúbico (1 litro) de agua destilada bajo ciertas condiciones de presión atmosférica y temperatura ambiente. Con base en esto, se fabricó un cilindro prototipo de platino e iridio que se guarda en la Oficina de Pesos y Medidas de París, el cual es considerado el kilogramo patrón, del que se hacen copias para todos los países. Algunos submúltiplos del kilogramo de uso frecuente son: el gramo y el miligramo. 1 kilogramo = 1.000 gramos = 103g 1 gramo = 1.000 miligramos = 10-3g Sistema Internacional de Unidades (SI) A finales de junio de 1799 se construyeron en París, Francia, dos patrones de medidas: uno para longitud (el metro) y otro para masa, (el kilogramo). Este hecho puede considerarse como el inicio de un sistema de medidas de uso internacional. Los esfuerzos unificadores de destacados científicos produjeron en 1960 el establecimiento del Sistema Internacional de Unidades (SI en todos los idiomas), con siete unidades fundamentales y dos suplementarias, para medir cantidades físicas independientes, es decir, que no pueden ser expresadas una en términos de las otras. Todas las demás unidades son derivadas, porque se pue- den expresar en términos de las nueve básicas. 6 El kelvin (K) es la unidad de temperatura en el SI y se definió en términos de las condiciones en las cuales el agua pura coexiste en sus tres fases (sólida, líquida y gaseosa). Una temperatura muy cercana a la que se funde el hielo a presión atmosférica. El tamaño de 1 kelvin es igual al tamaño de 1 grado en la escala Celsius (°C), de uso muy generalizado; sin embargo, como estas dos esca- las de temperatura no empiezan desde el mismo punto, se utiliza la siguiente igualdad para pasar valores de una temperatura a la otra: T (en K) = T (en °C) + 273,15 (1. 2) Las otras tres unidades básicas: mole, amperio y candela, posiblemente comiencen a aparecer en sus estudios a medida que usted entre en contacto con campos de la ciencia como la Química, el Electromagnetismo y la Óptica, y dejaremos su análisis para el momento oportuno. Las 7 unidades básicas del SI Especie física Unidad Símbolo Longitud Metro m Masa Kilogramo kg Tempo Segundo s Temperatura Kelvin K Corriente eléctrica Amperio A Intensidad luminosa Candela cd Cantidad de sustancia Mole mol Las unidades suplementarias del SI Las siete unidades citadas arriba nos permiten trabajar en cualquier campo de la ciencia y de la tecnología, siempre que no sea necesario utilizar ángulos. Ni ángulos planos (como el que dibu- jamos en el cuaderno cuando interceptamos dos rectas o el que se forma en el interior de un cono), ni sólidos (como el que forman dos paredes de una habitación y el piso). Seguro que si usted tiene buena práctica con un transportador para medir ángulos planos en grados, sabe que un ángulo recto mide 90°, un ángulo plano 180° y un ángulo de vuelta entera 360°. Sin embargo, es más útil para la ciencia medir los ángulos planos en la unidad denominada radián (rad). El radián se define como el ángulo en el centro de un círculo, delimitado por dos radios y de tal manera que el arco menor entre los dos radios tiene una longitud también igual a la de un radio. Ese es el motivo por el cual la longitud de una circunferencia de radio R se calcula por medio de la fórmula: C=2πR Los matemáticos han demostrado que el radio de un círculo cabe 2π veces en la circunferencia. El símbolo griego π (léase pi) es una constante cuyo valor con dos decimales es 3,14. Sin embargo, las calculadoras de bolsillo le muestran en pantalla el valor de π hasta con 10 decimales. 7 Para expresar en radianes cualquier ángulo que se ha medido en grados, es necesario realizar una conversión de unidades, tomando en cuenta que: 1 radián Posiblemente usted nunca tenga que trabajar con ángulos sólidos y sus unidades (estereorradianes), así que sólo le daremos una referencia al final del capítulo. Las mediciones Una medición es el resultado numérico (cuantitativo) de comparar una cantidad física con otra de la misma especie, que se ha tomado como patrón o unidad de medida. Por ejemplo, si quiere saber cuántos metros de largo mide el salón de clase, puede usar una regla de 1 metro (la unidad o patrón) o una cinta flexible de varios metros y comparar cuántas veces cabe ese patrón de longitud en el largo del aula, tomando en cuenta posibles fracciones por medio de los submúltiplos, en los que deberá estar graduada la regla. El proceso de comparación debe hacerse con cuidado para no cometer errores, por ejemplo, no traslapar las comparaciones, ni dejar espacios y, sobre todo, leer y anotar correctamente las divi- siones de la escala, lo cual requiere concentración y práctica. Si el instrumento de medición es más complejo que una simple regla, como un cronómetro para medir tiempo o una balaza de precisión para medir masa, debe conocerlo bien, saber cómo se usa, interpretar correctamente sus escalas y darle mantenimiento para evitar que sufra problemas de calibración; por ejemplo, que el cronómetro adelante varios segundos cada hora, que le falten unos milímetros a la regla, o que la balanza no indique cero cuando no hay ningún objeto en su plato. Los instrumentos digitales como cronómetros, balanzas, termómetros y otros realizan la compa- ración internamente y lo único que debemos hacer es leer la medición y, desde luego, mantenerlos bien calibrados. Las mediciones siempre se expresan con un número seguido por las unidades correspondientes con su nombre completo, o preferentemente su símbolo, por ejemplo: Altura de una pared de la casa: 2,2 metros 2,2 m Tiempo para leer esta página: 48 segundos 48 s Masa de este libro: 57,3 gramos 57,3 g Rapidez de una hormiga: 1,6 centímetros por segundo 1,6 cm/s Capacidad de una caja de leche: 1,0 litros 1,0 L Temperatura ambiente 22,8 grados Celsius 22,8 °C Densidad del agua 1.000 kilogramos por metro cúbico 1 000 kg/m3 8 Las mediciones son muy importantes para la ciencia, la tecnología, la industria, la construcción y para muchas otras actividades de los seres humanos. Mientras no se mida lo que se fabrica, cons- truya o investiga, no se tiene un buen conocimiento de lo que se hace. Las cantidades derivadas A medida que avancemos en este curso de Física, encontraremos muchas cantidades que se definen como combinaciones de las nueve básicas. En el cuadro anterior citamos tres que posiblemente usted conoce: la capacidad de un recipiente, es decir, el volumen de un líquido por ejemplo, que podría caber dentro del recipiente. También está la rapidez o magnitud de la velocidad de un objeto en movimiento y, finalmente, la densidad de un cuerpo, es decir, su masa por unidad de volumen. Todas las anteriores son cantidades derivadas porque se expresan en términos de las nueve unida- des básicas, por medio de relaciones matemáticas simples. El área de una superficie se puede definir como la cantidad de metros cuadrados (m2) que mide y, generalmente, se determina por alguna fórmula de cálculo que toma en cuenta mediciones de longi- tud. Una definición correspondiente se utiliza para el volumen de un cuerpo y su magnitud se puede expresar en el SI como un cierto número de metros cúbicos (m3), resultado de operaciones mate- máticas con mediciones de largo, ancho, alto o espesor del cuerpo. En el cálculo de áreas y volúmenes, debe cuidarse que en la fórmula matemática empleada –por ejemplo, base x altura/ 2, para el área de un triángulo, o πR2 h, para el volumen de un cilindro de radio R y altura h– las cantidades estén expresadas en el mismo tipo de unidades, para obtener resultados congruentes. Recuerde además, que el volumen de líquidos puede medirse fácilmente usando una probeta, que es simplemente un cilindro graduado que permite realizar una medición directa por medio de una comparación, sin tener que recurrir a cálculos matemáticos. En el caso de cantidades derivadas, definidas en términos de dos o más cantidades básicas, tal como la velocidad, la aceleración o la densidad de un cuerpo, se debe emplear las unidades que se usan con mayor frecuencia, o las que el problema específico solicite, realizando conversiones si es necesario. Conversiones de unidades Si usted necesita realizar conversiones de cantidades físicas fundamentales o derivadas, por ejemplo, de gramos a kilogramos o de kilómetros por hora a metros por segundo, debe conocer los factores de conversión necesarios y realizar algunas operaciones matemáticas que involucran simples multiplicaciones y divisiones. Para ello es conveniente que conozca y maneje el signi- ficado de algunos prefijos del Sistema Internacional, y que sea capaz de realizar operaciones usando notación científica, para lo cual las calculadoras de bolsillo son muy útiles. Es posible que también deba realizar conversiones entre unidades del SI y unidades que no perte- necen al sistema, como pies, millas por hora, o libras. En estos casos necesita consultar los facto- res de conversión, en un libro que maneje este tipo de unidades. 9 Algunos prefijos del SI Equivalencia Prefijo Símbolo Significado en notación científica nano n mil millonésima parte 10-9 micro m millonésima parte 10-6 mili m milésima parte 10-3 centi c centésima parte 10-2 deci d décima parte 10-1 kilo k mil 103 mega M millón 106 giga G mil millones 109 Ejemplo 1.1. Realice las siguientes conversiones: a) 4,25 kg a g; b)120 km/h a m/s; c) una densidad de 3,2 g/cm3 a kg/m3; d) una velocidad de 70 millas por hora a kilómetros por hora y a e) metros por segundo. Resolución: 10 Ejercicios y actividades de laboratorio 1. Consiga una roca pequeña y determine su masa (en gramos) usando una balanza. Use una probeta para medir su volumen en cm3 (método del desplazamiento de líquido). Calcule la densidad de la roca en g/ cm3. 2. Obtenga un bloque de madera (prisma recto). Mida con una regla, cuya menor división sea un milímetro, el largo, el ancho y el alto del bloque. Determine la masa en gramos usando una balanza. Calcule: a) el área de todas las caras, b) el volumen y c) la densidad en g/cm3 del bloque de madera. 3. Consiga un cronómetro o un reloj con segundero para medir el tiempo que tarda cada una de las siguientes actividades: a) leer esta página, b) lo que tarda en oscilar (ir de un lado a otro y regresar) una pequeña roca atada en el extremo de un hilo de 1 m de largo y c) el número de pulsaciones de su corazón en 1 minuto. 4. Consiga un termómetro (de mercurio en vidrio) con capacidad para medir temperaturas menores que 0 °C y mayores que 100 °C. Úselo con cuidado para medir la temperatura de: a) el aire ambiente, b) el agua que sale de la llave, c) el agua hirviendo, d) una mezcla de hielo con agua, e) debajo de su lengua. Luego exprese todas estas temperaturas en kelvin. 5. Dibuje sin usar transportador un ángulo que mida 1 radián. 6. Investigue el significado y la unidad respectiva en el SI de cada una de las siguientes cantida- des fundamentales: a) corriente eléctrica, b) cantidad de sustancia. 7. Exprese cada una de las siguientes cantidades en metros; primero con valores decimales, luego en notación científica: a) 75 nm, b) 0,48 mm, c) 33 mm, d) 785 km, e) 0,79 Mm, f) 503 Gm. 11 8. Calcule el área y el perímetro de un trapecio, como el que muestra la figura, que tiene las siguientes características: base mayor 734 mm, base menor 22,4 cm, altura 0,310 m. 9. Mida las dimensiones del trapecio de la figura y calcule su área y perímetro. 10. Realice las siguientes conversiones: a) 753 milímetros a metros. b) 0,984 metros a milímetros. c) 200 miligramos a kilogramos. d) 0,453 kilogramos a gramos. e) 0,314 segundos a milisegundos. 11. Convierta: a) 17.387 metros a kilómetros. b) 45.840 segundos a horas. c) 3.475 gramos a kilogramos. d) 50 metros por segundo a kilómetros por hora. 12. Conociendo que: 1 galón = 4,546 litros; 1 libra = 0,4536 kg; 1 pulgada = 2,54 cm, haga las siguientes conversiones: a) 25 galones a litros. b) 3,3 libras a kilogramos. c) 50 pulgadas a metros. d) 40 kilogramos a libras. e) 25 centímetros por segundo a pulgadas por minuto. Referencias Sistema Internacional de Unidades http://redquimica.pquim.unam.mx/fqt/cyd/glinda/Sistema1.htm http://edison.upc.es/units/SIcas.html-ssi Notación científica: http://www.visionlearning.com/biblioteca_espanol/ciencia/general/SCI1.3s-medida.htm Tabla de conversiones: http://caos.eis.uva.es/conversor/conversion.htm Capítulo II Movimiento En la naturaleza, prácticamente todo está en movimiento, desde las microscópicas partículas que forman los átomos, hasta los grandes conglomerados de galaxias. Encontramos movimientos que nos parecen muy lentos como el de una tortuga, rápidos como los del guepardo, muy veloces como los de un meteoro que vemos cruzando la esfera celeste en una noche despejada o extraordinariamente veloces como el de un fotón en un rayo luminoso, que se mueve nada menos que a 300.000 kilómetros por segundo. Estime ¿cuánto tiempo tardaría en viajar la luz de Panamá a Guatemala? Intuitivamente, consideramos que cualquier movimiento ocurre mientras transcurre el tiempo. Si de alguna manera congeláramos ese tiempo, también cesaría el movimiento. Por esa asociación íntima entre tiempo y movimiento es que diseñamos aparatos para medir tiem- po (relojes y cronómetros) por medio del movimiento de fenómenos repetitivos, como los de un péndulo, el movimiento aparente del Sol alrededor de la Tierra, o el movimiento que realiza la Luna en un mes alrededor de nuestro planeta. Usted habrá identificado movimientos simples, como podría ser el que realiza un automóvil que se mueve por una avenida rectilínea de una de nuestras ciudades, manteniendo fijo el número de kilóme- tros por hora. Ese es un movimiento rectilíneo uniforme o rectilíneo con velocidad constante. Cuando usted deja caer un objeto que sostenía en su mano, una pequeña bola por ejemplo, el movimiento es rectilíneo, pero si le presta atención y lo analiza, encontrará que la bola cada vez se mueve más rápido. En este caso se trata de un movimiento rectilíneo acelerado, porque decimos que hay aceleración cuando la rapidez de un movimiento cambia. Las aspas de un ventilador y un disco compacto realizan un movimiento circular, pero los pla- netas alrededor de una estrella se mueven en órbitas que son elipses, como lo demostró el astró- nomo Johannes Kepler (1571-1630). ¿Cómo describiría usted el movimiento que realiza una bola de fútbol en el saque de un portero, o el que toma una bola de béisbol en un home run? Concluimos estableciendo que el movimiento es el cambio de posición de un cuerpo mientras trans- curre el tiempo; por eso, para describir movimientos, necesitamos medir posiciones, desplazamientos, distancias, tiempos, velocidades y aceleraciones y eso es lo que haremos en este capítulo. 14 Posición de un cuerpo Si queremos saber dónde se encuentra un cuerpo, debemos especificar de manera inequívoca su posi- ción en el espacio. Eso lo podemos hacer estableciendo de manera arbitraria y conveniente un punto fijo que se llama origen, además de un sistema eficiente para establecer posiciones a partir de él. Si los movimientos que vamos a estudiar, son únicamente a lo largo de una línea recta (unidimen- sionales), nos basta con una recta numérica centrada en el origen (punto cero) y extendida en ambas direcciones, con valores positivos hacia la derecha y valores negativos hacia la izquierda. Origen Figura 2.1 La posición del carrito 0 es x = -6 m. x = - 6m Ahora bien, si el movimiento ocurre en tres dimensiones, como lo haría un avión que sale de la pista del aeropuerto con rumbo hacia el Noreste, luego se eleva, da una vuelta hacia el Sudoeste y finalmente aterriza en otro aeropuerto, se necesitan métodos más complejos para estudiarlo tales como, un sistema de coordenadas cartesianas con tres ejes: uno en la dirección Norte - Sur, otro orientado de Este a Oeste, y otro en dirección vertical. El caso bidimensional es más simple, pues necesitamos sólo dos rectas: el eje "x", orientado en la dirección Este - Oeste y el eje "y", orientado en la dirección Norte - Sur, pero si lo prefiere, puede orientarlo a lo largo de un renglón de su cuaderno (el eje "x") y hacia el margen superior (el eje "y"). Así, la posición de cualquier punto P, quedaría especificada señalando los valores de la coordenada "x" y de la coordenada "y" en un par ordenado (x, y), como se muestra en la figura 2.2. y Figura 2.2. P (5, 4) La posición del cuerpo está dada por el par ordenado (5, 4). La escala del sistema de coordenadas se escoge convenientemente, por ejemplo, para que cada división represente 1 cm, 1 m, o 1 km, dependiendo de la amplitud del x movimiento que se está estudiando. Movimiento y velocidad El tipo más simple de movimiento es el que ocurre a lo largo de una línea recta, sin cambios en sus características, es decir, cuando el cuerpo recorre distancias iguales en tiempos iguales y mantiene fija su dirección. Este es el tipo de movimiento que esperaríamos en un vehículo que se mueve por una carretera recta y plana durante un corto intervalo de tiempo, para que no varíen las condiciones. Bajo las circunstancias anteriores, podemos definir el concepto de rapidez (v), como la distancia recorrida por unidad de tiempo, por medio de la relación simple que resulta de dividir la distancia recorrida por el tiempo transcurrido. 15 distancia recorrida (2. 1) v= tiempo transcurrido Usamos el símbolo v para la rapidez, porque la mayoría de las personas acostumbra dar a este concepto el nombre de velocidad. Como puede observarse, las unidades con que se expresa la rapidez en el SI son metros por segundo (m/s). La velocidad, sin embargo, es un concepto que incluye magnitud (rapidez) y dirección. La mayoría de los carros que circulan en nuestro país tienen un medidor de rapidez (speedometer) gra- duado en kilómetros por hora, junto con un odómetro que da el kilometraje total recorrido en el viaje. Ejemplo 2.1 Suponga que usted viaja por una autopista y pierde el control de su vehículo durante 2 segundos. Calcule la distancia que recorre sin control si viaja con una rapidez de: a) 90 km/h, b) 50 km/h. Resolución: Primero reduciremos las velocidades de km/h a m/s. Ahora podemos calcular las distancias : m a) distancia = (rapidez)(tiempo) = (v)(t) = 25 ) (2s) = 50m s m b) distancia = (13,9 )(2s) = 27,8m s Ambas distancias, especialmente la primera, son lo suficientemente grandes para que a lo largo de ellas pueda ocurrir un accidente fatal, por eso no debemos descuidarnos ni por un momento, ni perder el control del vehículo que conducimos. Es nuestra obligación conducir responsablemente. Movimiento y aceleración Cuando conducimos un carro y aceleramos, aumentamos la velocidad por algún propósito espe- cífico en la conducción del vehículo, por ejemplo, porque pasamos de una calle a una autopista, porque podemos adelantar con seguridad y sin correr riesgos al vehículo que está delante de noso- tros, porque nos aproximamos a una cuesta y necesitamos tener más velocidad (dentro del límite permitido) para impulsarnos y poder subirla sin dificultad. Aquí la palabra aceleración la asociamos con la idea de aumento la velocidad. Al conducir un carro por una carretera plana, si se retira el pie de pedal del acelerador, disminui- mos bastante el suministro de combustible al motor, por consiguiente, éste gira más lentamente y el carro disminuye su velocidad, y hasta podría detenerse. Algo semejante se logra cuando pisamos el pedal del freno, también disminuimos la velocidad. En estos casos se dice que el carro experi- menta una aceleración o desaceleración de frenado, ya que hay una variación de velocidad, no de aumento, sino por el contrario, de disminución de su magnitud. 16 También aceleramos (variamos la velocidad) si tomamos una curva, aunque mantengamos fijos los kilómetros por hora, ya que estamos cambiando en cada momento la dirección de la velocidad, mientras estamos en la curva. Las condiciones normales de manejo, en calles y autopistas, tomando en cuenta altos, semáforos, zonas de seguridad, de velocidad restringida, curvas, cuestas y pendientes, requiere que estemos variando la velocidad (aumentando, disminuyendo o girando) con cierta frecuencia. Cuando dejamos caer una bola desde cierta altura, su velocidad aumenta unos 9,8 metros por segundo cada segundo; éste es el valor con que aceleran los cuerpos que caen, debido al efecto de la gravedad de la Tierra. Algo parecido sucede cuando usted acelera un carro. La velocidad aumenta, por ejemplo, 5 metros por segundo, cada segundo; por ello decimos que la aceleración es 5 metros por segundo cada segundo, aunque normalmente decimos 5 metros por segundo al cuadrado (5 m/s2). Dependiendo del tipo de carro, del motor, la cantidad de combustible que le damos y la carretera, la aceleración puede ser pequeña, por ejemplo, 1 metro por segundo cada segundo (1 m/s2), o grande, unos 20 metros por segundo cada segundo (20 m/s2). Cuando aplicamos los pedales del freno a un carro y su velocidad comienza a disminuir, se produce entonces una desaceleración que puede ser mucha o poca. Si es poca, porque el sistema de frenos no está bien, o por otras condiciones, el carro tarda más en detenerse, por lo que debemos estar muy atentos para no provocar algún problema. Si la carretera y el sistema de frenos están en buenas con- diciones, un carro puede frenar con una desaceleración de unos 10 metros por segundo cada segun- do (10 m/s2). Esto quiere decir, que si el carro va a 90 kilómetros por hora (= 25 m/s), por ejemplo, su velocidad disminuye a 15 metros por segundos en el primer segundo y a 5 metros por segundo en el siguiente, por lo que necesita unos dos segundo y medio para detenerse. ¡No lo hace de manera instantánea!. Recorre unos 31 metros antes de detenerse. Movimiento uniformemente acelerado Vamos a estudiar de manera sistemática el movimiento de un cuerpo que se mueve a lo largo de una línea recta, con una velocidad que varía de manera constante. La posición del cuerpo se especifica por medio del valor de la coordenada "x" a lo largo de la recta, sobre la cual ocurre el movimiento. Sea xo la posición inicial, cuando comienza el movimiento, en el instante to y suponga que cuando el tiempo es t, el cuerpo se encuentra en la nueva posición x. Llamamos desplazamiento (∆x) a la distancia entre la posición inicial y la final, es decir: ∆x = x - xo (2.2) Se define la velocidad del cuerpo como la razón (cociente) del desplazamiento con respecto al tiempo, es decir: ∆x x – xo v= = t–t (2.3) ∆t o 17 Observe, que si por conveniencia establecemos que colocamos el origen del sistema en el punto donde inicia el movimiento, en el momento en que ponemos a funcionar el cronómetro, entonces xo = 0 y to = 0, por lo que la relación anterior se puede escribir como: x v= , ox = vt (2.4) t Como sabemos las unidades de velocidad en el SI son metros por segundo (m/s), pero en la prác- tica, también encontraremos kilómetros por hora, metros por minutos, pies por segundo, millas por hora, etc. Si la velocidad del cuerpo cambia de manera uniforme, se define la aceleración (a) como la razón del cambio de velocidad con respecto al tiempo, es decir: ∆v v – vo a= = t–t (2.5) ∆t o Donde vo es la velocidad cuando el tiempo es to y v la velocidad en un tiempo posterior t. Sin embargo, si tomamos to = 0, la relación anterior se reduce simplemente a: v – vo a= t de donde, luego de un poco de álgebra elemental, resulta que: "la velocidad final es igual a la velocidad inicial más la aceleración multiplicada por el tiempo transcurrido": v = vo + at (2.6) Para este tipo de movimiento con aceleración constante, en el que la velocidad varía de manera lineal con el tiempo, es válido definir una velocidad promedio ( v ) de la siguiente manera: v + vo v= (2.7) 2 Esta velocidad promedio caracteriza el desplazamiento efectuado por el cuerpo, cuyo valor será: v + vo (v + vo) + vo (2vo) + at)t x = (v)t = t= t= (2.8) 2 2 2 y que luego de simplificar resulta: x = vot + 1 at2 (2.9) 2 "El desplazamiento es igual a la velocidad inicial multiplicada por el tiempo, más un medio de la aceleración multiplicada por el tiempo elevado a la segunda potencia." 18 Con un poco de manipulación algebraica entre las ecuaciones (2.6) y (2.8), se puede eliminar el tiempo y resulta una ecuación bastante útil cuando no se dispone de esa información en un pro- blema específico: v2 = (vo)2 + 2ax) (2.10) "El cuadrado de la velocidad final es igual al cuadrado de la velocidad inicial, más dos veces el producto de la aceleración y el desplazamiento". Con las relaciones (2. 4), (2. 6), (2. 8) y (2. 9), se puede resolver cualquier problema de movimien- to rectilíneo con aceleración constante. Ejemplo 2.2. Un automovilista que viaja a 60,0 kilómetros por hora frena bruscamente su vehículo y éste deja unas marcas en la carretera de 30,0 metros de longitud, hasta cuando se detiene. Calcule: a) la aceleración de frenado y b) el tiempo para detenerse. Resolución: 60,0 km/h = 1,00 km/min = 16,67 m/s a) De la ecuación (2. 4) resulta: 02 = (16,67 m/s)2 + 2(a)(30,0 m), de donde a = -4,63 m/s2. ¿Qué significa el signo negativo? b) De la ecuación (2.2.): 0 = 16,67 m/s + (-4,63 m/s2) t, de donde t = 3,6 s. Ejemplo 2.3. Suponga que usted inicia un recorrido en bicicleta con un empujón que le da una velocidad de 3,0 metros por segundo. Esa velocidad la mantiene durante 10 segundos y luego decide pedalear fuertemente, de tal manera que produce una aceleración de 0,80 m/s2, durante otros 5,0 segundos. Luego usted decide continuar durante 4 segundos con la velocidad que adquirió al final de la etapa anterior y finalmente aplica los frenos y se detiene en una distancia adicionad de 50 m. Calcule la distancia y el tiempo total. Resolución: El recorrido tiene cuatro etapas relativamente independientes, que requieren cálculos separados: a) Etapa de velocidad constante x = vt = (3,0 m/s) (10 s) = 30 m b) Etapa con aceleración constante x = v0t + 1/2 at2 = (3,0 m/s) (5,0 s) + 1/2 (0,80 m/s2) (5,0 s)2 = 15 m + 10 m = 25 m c) Etapa de velocidad constante. Se calcula primero la velocidad al final de la etapa anterior, que se convierte en velocidad inicial en la última etapa. v = v0 + at = 3,0 m/s + (0,8 m/s2) (5,0 s) = 3,0 m/s + 4,0 m/s = 7,0 m/s 19 Entonces el desplazamiento es x = vt = (4,0 m/s)(20 s) = 80 m d) En esta última etapa "desacelerada", no sabemos el valor de la aceleración de frenado ni el tiempo, pero la velocidad inicial es 7 m/s, la final es cero y el desplazamiento 50 m. Entonces, aplicando la ecuación (2.10): 02 = (7,0 m/s)2 + 2 (a) (50 m), de donde resulta a = -0,49 m/s2 Ahora calculemos el tiempo requerido en esta cuarta etapa: v = v0 + at =0 = 7,0 m/s + (-0,49 m/s2)(t), de donde t = 14,3 s. La respuesta es entonces: Tiempo total = 10 s + 5 s + 4 s +14,3 s = 33,3 s. Distancia total = 30 m + 25 m + 80 m + 50 m = 185 m. Caída libre de los cuerpos La caída (en línea recta) de un cuerpo en las cercanías de la superficie terrestre, suponiendo que no hay ninguna influencia del viento y despreciando el efecto del rozamiento con el aire, para cuerpos pequeños, como una canica por ejemplo, puede describirse por medio de un modelo, en el cual se considera que la única influencia sobre la canica es el resultado de la fuerza de atracción gravitatoria de la Tierra, que se traduce en una aceleración verticalmente hacia abajo, cuyo valor promedio es 9,8 metros por s2 y que denominamos aceleración de la gravedad. Las ecuaciones (2. 6), (2. 8) y (2. 9) se aplican para la caída libre, pero la rescribiremos denotando la aceleración de la gravedad con el símbolo g y el desplazamiento vertical hacia abajo con la letra y, es decir: v = vo + gt (2.6’) y = vo t + 1 gt2 (2.7’) 2 v2 = (vo)2 + 2ay) (2.8’) Ejemplo 2.3 Desde la azotea de un edificio de 30 metros de altura se deja caer una pequeña bola. Calcule: a) la velocidad con que llega al suelo, b) el tiempo requerido c) ¿cuáles serían los valores anteriores si la bola se lanza hacia abajo a 10 metros por segundo? Resolución: a) v2 = 02 + 2 (9,8 m/s2) (30 m), de donde v = 24,2 m/s b) 30 m = (0 m/s) t + _ (9,8 m/s2) t2, de donde t = 2,5 s c) v2 = (10 m/s)2 + 2(9,8 m/s2) (30 m), de donde v = 26,2 m/s d) 26,2 m/s = 10 m/s + (9,8 m/ s2) t, de donde t = 1,66 s. 20 ¿Cuánto tardaría en caer la bola y cuál sería su velocidad al llegar al suelo si se lanzara verticalmente hacia arriba a 10 metros por segundo? No discutiremos aquí el movimiento de un cuerpo que asciende verticalmente y luego cae. Simplemente se debe aplicar un convenio de signos algebraicos para la velocidad y la aceleración. Al final del capítulo puede encontrar algunas referencias que le serán de utilidad. Movimiento circular Discutiremos únicamente el movimiento que realiza un cuerpo que se mantiene a una distancia fija (R) del un punto K; es decir, que su trayectoria es una circunferencia de radio R y de tal manera que recorre dicha trayectoria manteniendo constante la magnitud de su velocidad (rapidez). La relación (2.4.) distancia = (rapidez)(tiempo) puede aplicarse a una vuelta entera del movimiento, para la cual la distancia recorrida es una circunferencia C = 2 π R. Esta distancia es recorrida en el tiempo necesario para que el cuerpo dé una vuelta completa, que se denomina período de movimien- to circular (T). Resulta entonces que la rapidez en el movimiento circular uniforme está dada por: 2pR (2.11) v= T donde v = velocidad tangencial, R = radio y T = período (tiempo en dar la vuelta). Usted se preguntará por la dirección que tiene la velocidad en el movimiento circular. Bueno, es fácil demostrar que está variando de un punto a otro, pero que en un punto dado, en un instante, la dirección de la velocidad es tangente a la circunferencia, esto es, perpendicular al radio y por tal motivo se le llama velocidad tangencial. v v v v v v v v Figura 2.3.a Figura 2.3.b Velocidad tangencial en el movimiento circular Velocidad tangencial y aceleración radial en el con rapidez constante. movimiento circular con rapidez constante. 21 El movimiento circular, con rapidez constante, es un ejemplo de movimiento acelerado, porque la direc- ción de la velocidad cambia en cada momento, a pesar de que su magnitud se mantiene constante. El efecto de la aceleración lo siente nuestro cuerpo como una fuerza que nos empuja en dirección opuesta a la dirección de la aceleración. Por ejemplo, cuando vamos en un carro y éste acelera hacia delante, sentimos un empujón hacia atrás y, por el contrario, si frena bruscamente nos vamos hacia delante. Si tomamos una curva con cierta rapidez sentimos que nos empujan hacia afuera y ese efecto aumenta cuando aumenta la rapidez. Entonces, concluimos, que la aceleración en el movimiento circular se incrementa al aumentar la rapidez. Por otro lado, si tomamos curvas cada vez más cerradas (de menor radio) todas con la misma rapidez, encontraremos que el efecto (aceleración) aumenta al disminuir el radio de la curva. Por tal motivo, concluimos que la aceleración depende inversamente del radio. En resumen a = v/R. Sin embargo, un análisis de unidades para la fórmula anterior muestra una incongruencia ya que: de tal manera que a la derecha faltan los m/s, para que haya concordancia de unidades. Esto se solucionaría si la rapidez estuviese al cuadrado. Con la matemática apropiada se puede encontrar que la aceleración en el movimiento circular con rapidez constante es: v2 a= R (2.12) ¿Qué dirección tiene la aceleración en el movimiento circular con rapidez constante? No puede ser ni a favor ni en contra de la velocidad tangencial, porque en ese caso su magnitud (rapidez) aumen- taría o disminuiría, como sucede con los vehículos que aceleran o desaceleran. Concluimos,entonces, que la aceleración en el movimiento circular, con rapidez constante, está dirigida de forma perpen- dicular (ángulo recto) a la velocidad tangencial, es decir, a lo largo del radio y dirigida hacia el centro de la circunferencia. Por este motivo se le conoce como aceleración radial o aceleración centrípeta. Ejemplo 2. 4 Suponga que el radio ecuatorial de la Tierra es 6.400 km y que su órbita alrededor del Sol es cir- cular, con un radio de una unidad astronómica (1.5 x 108 km). Calcule la velocidad tangencial que tendría una persona en el ecuador, debido a: a) la rotación de la Tierra sobre su propio eje, b) la revolución de la Tierra alrededor del Sol. Resolución: a) v = b) v = Exprese las velocidades anteriores en metros por segundo. 22 Ejemplo 2. 5 Las aspas de un ventilador dan 1.800 vueltas por minuto. Calcule: a) la velocidad tangencial y b) la aceleración centrípeta que experimenta una marca en una de las aspas, que está a 35 cm del centro. Resolución: 1.800 vueltas por minuto no es el período sino la frecuencia, es decir, el inverso del período. El tiempo para dar una vuelta sería 1 minuto dividido por 1.800, ó 60 segundos / 1.800 = 0,033 s.: a) b) Ejemplo 2.6 Un auto de carreras recorre una pista circular de 78 m de radio con una velocidad tangencial cuya magnitud es 350 km/h. Calcule: a) El tiempo requerido para dar una vuelta, b) la aceleración centrípeta, c) la distancia recorrida en 5 minutos, d) el número de vueltas que realiza en 5 minu- tos. Resolución: Primeramente convertimos los kilómetros/hora a metros/ segundo: a) b) c) d) , esto es 59 vueltas competas y media vuelta más. También: 23 Ejercicios y actividades de laboratorio 1. Averigüe la distancia entre el aeropuerto Ilopango en El Salvador y el aeropuerto Juan Santamaría en Costa Rica, para calcular la rapidez promedio que debería tener un avión, en km/h y en m/s, si hace el vuelo en 55 minutos. 2. Salga a una plaza deportiva, use una cinta métrica y marque una distancia de 100 m. Corra dicha distancia tratando de mantener una rapidez constante y mida el tiempo con un cronóme- tro. Calcule la rapidez promedio de esa carrera en m/s y en km/h. 3. Suponga que de Rivas, Nicaragua, a Peñas Blancas en la frontera con Costa Rica hay 38 km. a) ¿En cuánto tiempo se puede hacer el viaje si se pudiese viajar con una rapidez constante de 60 km/h? b) Si un automovilista recorre 25 km a 50 km/h, ¿qué rapidez debe mantener en los restantes 13 km para hacer el viaje en el mismo tiempo? 4. Dos vehículos parten al mismo tiempo en direcciones opuestas; el vehículo A con una rapidez de 40 km/h y el B a 60 km/h. a) ¿En cuánto tiempo estarán separados 350 km? b) Si el vehículo B decide salir en persecución del vehículo A, pero 1 hora después, ¿en cuánto tiempo lo alcanza? 5. Un carrito parte del reposo, se mueve en línea recta y acelera a 0,95 m/s2. a) ¿En cuánto tiempo alcanzará un desplazamiento de 500 m? b) ¿qué velocidad lleva en ese momento? 6. Un tren metropolitano parte del reposo en una estación y se mueve en línea recta con una acele- ración de 0,5 m/s2, mantenida durante 10 s; luego continúa con la rapidez constante alcanzada durante 2 minutos más. Finalmente, frena uniformemente a –0,4 m/s2, hasta detenerse en la siguiente estación. Calcule el tiempo y la distancia total entre estaciones. 7. Un automóvil que acelera a 1,2 m/s2 pasa por un punto con una velocidad de 90 km/h. Si par- tió con una velocidad inicial de 5 m/s calcule: a) la distancia recorrida, b) el tiempo empleado en el recorrido, c) ¿Qué velocidad constante debería mantener en el recorrido de vuelta al punto de partida para emplear el mismo tiempo en el regreso. 8. Una persona deja caer una bola desde la azotea de un edificio alto y encuentra que llega al suelo en 4,5 s. Calcule: a) la altura del edificio, b) la velocidad de la bola cuando llega al suelo, c) la velocidad de la bola y su altura a los 4 s, d) la velocidad de la bola y el tiempo que requiere para llegar a una posición en la que esté a 1 m de altura sobre el suelo. 24 9. Cuando un objeto se lanza verticalmente hacia arriba, sufre una aceleración de frenado debido a la fuerza de atracción gravitatoria de la Tierra, igual a -9,8 m/s2. Si una bola se lanza verti- calmente hacia arriba con una velocidad de 50 m/s, calcule: a) la altura máxima que alcanza, b) el tiempo necesario para llegar a dicha altura. 10. Con referencia al problema anterior, cuando la bola llega a la altura máxima empieza inmedia- tamente a caer. Calcule: a) la velocidad con que regresa al suelo, b) el tiempo empleado en regresar al suelo, c) el tiempo total que estuvo la bola en el aire. 11. En una centrífuga de 40 cm de diámetro, la aceleración que experimentan las muestras que están en el borde es de 39,2 m/s2. Calcule: a) la velocidad tangencial de las muestras, b) el tiempo requerido para una vuelta completa (período T), c) el número de vueltas por minuto que da la centrífuga. 12. En un carrusel, los niños que están a 3,0 m del centro, se mueven con una velocidad de 5 m/s. Calcule la aceleración que experimentan y el tiempo requerido para dar 50 vueltas. 13. En una pista cerrada, los carros toman las vueltas con una aceleración centrípeta de 100 m/s2 y tarda 1 minuto en dar una vuelta completa. Calcule el radio de la pista y la magnitud de la velocidad tangencial de los carros. Referencias Movimiento rectilíneo uniforme http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/fisica/teoria/A_Franco/cinematica/practica/practica.htm Caída libre http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/fisica/teoria/A_Franco/cinematica/graves/graves.htm Movimiento circular: http://www.manizales.unal.edu.co/cursofisica/circula.html#uniforme Proyectiles: http://home.a-city.de/walter.fendt/phs/projectile_s.htm Capítulo III Fuerzas en la Naturaleza Todos sabemos que debemos aplicar fuerza si queremos mover un objeto; también sabemos que, si un objeto grande y veloz choca contra nosotros, nos golpea con mucha fuerza. Los animales de carga como el caballo y el buey, desde cuando fueron domesticados por los huma- nos, aplican su fuerza para realizar trabajos como transportarnos, dar vueltas a un molino, o mover objetos pesados. Es muy evidente la fuerza que ejercen objetos inertes como bandas de hule o resortes, y sabemos que todos los objetos que colisionan ejercen fuerzas entre sí, de direcciones opuestas, pero de la misma magnitud. Aun este libro que descansa sobre la mesa, ejerce una fuerza sobre ella y como respuesta, la mesa también ejerce una fuerza opuesta sobre el libro. Conocemos la fuerza de gravitación que ejerce un cuerpo como la Tierra sobre nosotros, sobre la Luna, o sobre un satélite artificial. Sabemos que este tipo de fuerza es la responsable de la estructura macroscópica del universo, es decir, de mantener unidos los grandes conglomerados de galaxias, estrellas, planetas y satélites para que produzcan todas sus interacciones y así mostrarnos el universo dinámico que vemos. La fuerza de gravedad, como también se llama, es causada únicamente por la cantidad de materia de los cuerpos que interaccionan, o sea, por su masa. Las partículas cargadas eléctricamente también ejercen fuerzas mutuas que llamamos electrostá- ticas. Sabemos que son de atracción si el tipo de carga es diferente, por ejemplo, entre protones y electrones, y de repulsión si el tipo de carga es igual, como entre dos protones o dos electrones. La fuerza electrostática es la principal responsable de las interacciones entre átomos y la que origina las condiciones para producir todos los compuestos químicos que hay en la naturaleza. Los imanes ejercen fuerza entre sí de atracción o repulsión y atraen objetos de hierro. Esta fuerza magnética también afecta cargas eléctricas en movimiento, como sucede con los electrones que se mueven por las bobinas de un motor eléctrico. Citaremos finalmente las poderosas fuerzas nucleares que mantienen la estructura central del átomo, para que los protones y los neutrones constituyan núcleos relativamente estables. Existe también un tipo de fuerzas nucleares débiles, que son las responsables de los procesos de desintegración radiactiva que ocurren en cierto tipo de átomos. 26 Características de las fuerzas Las fuerzas son cantidades físicas que poseen magnitud, es decir, tamaño o valor acompañado de sus unidades; pero también tienen dirección, como las cantidades que se denominan genéricamen- te vectores (ver Capítulo IV). La primera característica es importante porque determina la intensidad del efecto de la fuerza, mientras que la segunda, asociada con el punto del cuerpo donde se aplica la fuerza, determina la calidad del efecto que podría manifestarse como cambios en el movimiento (traslaciones en línea recta y rotaciones), o deformaciones. Aplicada a un cuerpo como una columna de un edificio, un hueso, el cable de un puente colgante, o un músculo de un animal, las fuerzas pueden ponerlo en estado de compresión o de tensión, causándole deformaciones temporales o permanentes. Como se ilustra en la figura 3.1.a, la compresión ocurre cuando las fuerzas actúan hacia el interior del cuerpo, provocando una deformación que tiende a disminuir la longitud de éste, a lo largo de la recta de aplicación de las fuerzas. Por el contrario, si las fuerzas actúan hacia el exterior del cuerpo y, consecuentemente, la defor- mación tiende a aumentar la longitud de éste, se dice que el estado es de tensión (Fig.3.1.b). Los cuerpos como hilos, cuerdas, fibras biológicas o sintéticas sólo pueden ponerse en tensión. Los cuerpos rígidos como varillas, reglas, vigas, bloques de concreto, etc. pueden ponerse tanto en compresión como en tensión. Además, los cuerpos rígidos pueden ejercer fuerzas perpendicu- lares a su longitud, como lo hace una caña de pescar o cualquier varilla, Fig.3.1.c. F F F F F Fig. 3.1.a Fig. 3.1.b Fig. 3.1.c. Cuerpo bajo compresión Cuerpo bajo tensión. Fuerza perpendicular a su longitud ejercida por una varilla. Cuando dos cuerpos sólidos se ponen en contacto generan dos tipos de fuerzas: las fuerzas nor- males que son perpendiculares a las superficies en contacto y las fuerzas de rozamiento (o de fricción), que actúan a lo largo de las superficies en contacto y son muy evidentes cuando ocurre deslizamiento relativo entre ellas. Las fuerzas de rozamiento también se presentan cuando el sóli- do se mueve a través de fluidos como el aire y el agua. Estas fuerzas se toman muy en cuenta en el diseño aerodinámico de aviones, barcos y submarinos. En la naturaleza hemos encontrado incontables aplicaciones y eficientes diseños en plantas y ani- males que el ser humano ha imitado, como el vuelo de las aves y la eficiente hidrodinámica del nado de focas y tiburones, por ejemplo. 27 Primera Ley de Newton ¿Qué le sucedería a un cuerpo sobre el cual no actúa ninguna fuerza? Podemos contestar de acuerdo con el físico Isaac Newton, que el estado de movimiento del cuer- po nunca cambiaría. Esto es, si el cuerpo está en reposo continúa en reposo, y si está en movimien- to, continúa moviéndose en línea recta y con rapidez constante. Este resultado se conoce con el nombre de Primera Ley de Newton. Como vemos, esta ley responsabiliza a la fuerza de ser la causante de cambios en el estado de movimiento del cuerpo, y por tal motivo, si no existe ninguna fuerza actuando sobre un cuerpo, su estado de movimiento tendría forzosamente que ser constante, esto es, se movería con velocidad constante en magnitud y dirección. El complemento de la primera ley es tan importante como ella misma, porque si observamos un cuerpo que no se mueve con velocidad constante, inmediatamente podemos concluir que debe existir algún tipo de fuerza actuando sobre él. Si de momento no conocemos la naturaleza de esa interacción, la certeza de su existencia nos facilita su descubrimiento, por medio de una investi- gación a fondo de la situación. F Fa Ff W Fig. 3.2 Un golpe rápido a la tarjeta puede sacarla de deba- jo de la moneda, haciendo que esta caiga dentro del vaso. Segunda Ley de Newton ¿Qué le sucede a un cuerpo sobre el cual actúa una fuerza conocida? Evidentemente, sufrirá cambios en su estado de movimiento, es decir, no se moverá con velocidad constante. Como vimos en el capítulo II, si la velocidad de un cuerpo varía por cualquier motivo, el cuerpo experimenta una aceleración. Ahora estamos concluyendo aquí que la fuerza es la res- ponsable de provocar la aceleración. Como la fuerza y la aceleración son cantidades que poseen magnitud y dirección, es lógico asociar a la aceleración la misma dirección que la fuerza. Ahora bien, nuestra experiencia con una fuerza que se aplica a diferentes objetos nos dice que a mayor masa, menor será el efecto de la fuerza (menor será la aceleración). Si diseñamos un experimento en el cual una misma fuerza determinada se aplica sucesivamente a objetos de 1 kg, 2 kg, 3 kg, 4 kg, etc., encontraremos que la aceleración que experimentan dichos objetos es respectivamente a, a/2, a/3, a/4, etc., de donde concluimos que la aceleración que sufre 28 un cuerpo debido a la acción de una fuerza constante específica, es inversamente proporcional a la masa del cuerpo. En resumen, se puede establecer la siguiente ecuación de la Segunda Ley de Newton que resume los anteriores resultados entre la fuerza ( ), la masa (m) y la aceleración ( ): F = ma (3.1) En la ecuación anterior se ha colocado una flecha encima de la fuerza y de la aceleración para indicar que son cantidades que tienen la misma dirección. Ahora bien, en la práctica no se tiene una única fuerza, sino que normalmente actúa sobre el cuer- po más de una, por lo que para aplicar la segunda ley debemos primeramente encontrar la fuerza resultante de ellas, sumándolas de acuerdo con los procedimientos usuales para sumar cantidades que poseen magnitud y dirección (vectores), como lo haremos en el próximo capítulo. Una expresión más completa de la Segunda Ley de Newton sería entonces: ∑F = ma (3.2) La letra griega Σ (léase sigma) indica que debe realizarse la suma de todas las fuerzas que se aplican al cuerpo, tomando en cuenta sus magnitudes y direcciones y obtener así una única fuerza resultante. F1 F2 F3 Fig. 3.3 La unidad de fuerza: el newton (N) La ecuación 4. 1 establece la relación cuantitativa para la Segunda Ley de Newton y permite defi- nir la unidad de fuerza en el SI, ya que tanto la aceleración como la masa son cantidades con unidades ya establecidas. La masa es una cantidad fundamental que se expresa en kilogramos (kg) y la aceleración es una cantidad derivada, cuyas unidades son metro por segundo al cuadrado (m/s2). 29 La unidad de fuerza es el newton (N) y se define de la siguiente manera: "Un newton es la fuerza que aplicada a un cuerpo de 1 kilogramo de masa, le produce una aceleración igual a 1 m/s2, en la misma dirección de la fuerza." Esta unidad de fuerza se estableció en honor al físico inglés Isaac Newton (1643–1727), coautor de la teoría del cálculo infinitesimal y que realizó grandes descubrimientos en Mecánica, la rama de la Física que estudia el movimiento, las fuerzas y la energía. El nombre de la unidad se escribe con minúscula, pero no su símbolo, que es N. El newton es una unidad más bien pequeña, puesto que si usted levanta un cuerpo de 1 kg, debe- rá hacer una fuerza hacia arriba de 9,8 N, o si le parece, para sostener en su mano un cuerpo de 102 gramos (0,102 kg) debe hacer una fuerza hacia arriba de aproximadamente un newton. a = 1m/s2 m = 1kg F = 1 newton Fig. 3.4 Tercera Ley de Newton ¿Cree usted que con algún tipo de estrategia pueda ejercer una fuerza sobre algún objeto vivo o inerte y arreglárselas para que este objeto no ejerza una fuerza sobre usted? Si contestó que ‘no’ entonces está en lo correcto. No hay manera de actuar sin interactuar. No es posible que un cuerpo ejerza algún tipo de acción, como una fuerza sobre otro cuerpo, sin que resulte simultánea y proporcionalmente una acción del segundo cuerpo sobre el primero. Con las fuerzas que resultan del contacto directo entre dos cuerpos esto parece muy evidente, pero aún las fuerzas que parecen actuar a distancia, o por medio de un campo, como la fuerza de gravedad, la electrostática y la magnética, siempre son el resultado de interacciones entre dos cuerpos. Isaac Newton estableció esta propiedad de las fuerzas que siempre actúan en parejas por medio de su tercera ley del movimiento de la siguiente manera: "Las fuerzas de interacción entre dos cuerpos son siempre de igual magnitud y de dirección opuesta" b a Fb,a Fa,b Fig. 3.5 Tercera Ley de Newton. Fb,a Fa,b 30 En la figura 3.5, dos cuerpos a y b interaccionan por medio de una colisión directa. Sea Fa,b la fuerza que el cuerpo a ejerce sobre el cuerpo b y sea F b,a la fuerza que el cuerpo b ejerce sobre el cuerpo a. Una expresión matemática de la Tercera Ley de Newton sería: Fa,b = - Fa,b (3.3) La ecuación anterior expresa que las fuerzas de interacción siempre tienen dirección opuesta (signo negativo), que tienen la misma magnitud (tome el valor absoluto de la expresión) y que nunca cancelan su efecto porque no actúan sobre el mismo cuerpo, ya que una actúa sobre b y la otra sobre a. Ejemplo 4.1 Sobre un cuerpo de 10 kg actúa una fuerza de 20 N. Si parte del reposo, calcule a) la aceleración que sufre el cuerpo, b) la velocidad y c) la distancia recorrida en 5,0 segundos. Resolución: a) De acuerdo con la Segunda Ley de Newton: 20 N = (10 kg) (a), de donde a = 2,0 N/kg = (2,0 kg m/s2) kg = 2,0 m/s2 b) Para la velocidad y la distancia usamos las ecuaciones del capítulo III. v=vo+ a t v = 0 + (2,0 m/s2) (5,0 s) = 10 m/s c) Ejemplo 4.2 En una colisión un objeto a de 40 kg choca contra otro b de 0,8 kg. La fuerza de interacción que se da entre dichos objetos es de 100 N. Calcule la aceleración que experimenta cada objeto mien- tras la fuerza actúa. Resolución: De acuerdo con la Tercera Ley de Newton la magnitud de la fuerza ejercida sobre a por b es 100 N, entonces el valor de la aceleración del objeto a es: La fuerza que actúa sobre b tiene dirección opuesta pero la misma magnitud, y entonces la aceleración de b será: a = 100 N/ 0,8 kg = 125 m/s2. 31 Observe que la tercera ley establece que las fuerzas son de igual magnitud, pero no dice nada con respecto a la consecuencia de dichas fuerzas sobre cuerpos de masas muy disparejas, obviamente el cuerpo de menor masa o de consistencia más débil sufre las mayores consecuencias. Para ave- riguar estas consecuencias aplicamos la segunda ley. Peso y masa La masa de un cuerpo se definió como una medida de su cantidad de materia y en el Sistema Internacional de Unidades se expresa en kilogramos. La fuerza gravitatoria con la que la Tierra atrae a un cuerpo, colocado en su superficie, es lo que llamamos el peso del cuerpo y, como toda fuerza, se expresa en newton, no en kilogramos. El peso se calcula multiplicando la masa del cuerpo por el valor local del campo gravitatorio de la Tierra (g), cuyo valor promedio en su superficie es g = 9,8 N/ kg. El campo gravitatorio es conceptualmente equivalente a lo que llamamos aceleración de la grave- dad (g) cuyo valor promedio es g = 9,8 m/s2. En sus cálculos use cualquiera de las dos cantidades, la diferencia sólo está en la apariencia exter- na de las unidades. peso = m g (3.4) El campo gravitatorio de la Tierra no es exactamente el mismo en todas partes, ni en magnitud ni en dirección, es mayor en las vecindades de los polos que cerca del ecuador y además disminuye con la altitud. Si un objeto está en la Luna, Marte o Júpiter, el peso estará determinado por el campo gravitatorio del satélite o planeta respectivo. Entonces el peso no es una constante característica del cuerpo, como si lo es la masa, sino que depende del lugar donde esté, pero desde luego, en un mismo lugar un cuerpo siempre tendrá el mismo peso, a menos que de alguna manera aumente o disminuya su masa. Ejemplo 4.3 Una persona que pesa 637 N en la Tierra, viaja a la Luna, donde el valor del campo gravita- torio es: gLuna = 1,63 N/ kg. Calcule su peso en la Luna. Resolución: Primero debemos encontrar la masa de la persona, que es una constante independiente del lugar donde esté: 637 N = (m) (9,8 N/kg), de donde m = 65Kg El peso en la Luna será entonces: peso Luna = (m)(g Luna) = (65 kg)(1,63 N/ kg) = 106 N 32 La fuerza de rozamiento Una de las fuerzas que más interviene, en situaciones cotidianas, es la fuerza de rozamiento (o de fricción), pues está presente cada vez que un cuerpo se desliza contra otro, lo mismo que al cami- nar, o cuando dejamos estacionado un vehículo en una pendiente. La fuerza de rozamiento es causada por dos factores principales: las irregularidades de las dos superficies en contacto y la fuerza que comprime a un cuerpo contra el otro. Otra característica de la fuerza de rozamiento es que su dirección es siempre opuesta a la del movimiento del cuerpo, es decir, siempre produce un efecto de frenado sobre él. Discutiremos únicamente el caso de un cuerpo, como una caja, que se coloca sobre una superficie horizontal, como el piso de una habitación. Para el estudio de otras situaciones consulte las refe- rencias del final del capítulo. Fig. 3.6 Fe Suponga que la caja de masa (m) y peso (mg) está en reposo sobre el piso. Si se empuja con una fuerza horizontal (F) hacia la derecha, puede que la caja no se mueva, porque la fuerza de roza- miento estático (fe) resulte igual en magnitud a la fuerza (F). Si se aumenta poco a poco el valor de (F), se llega a una situación en la que el cuerpo está a punto de moverse, porque la fuerza de rozamiento estática ha llegado a su valor máximo y está por ser superada por (F). Ese valor máximo para la situación descrita es igual al peso del cuerpo multiplicado por el coeficiente de rozamiento estático (µe), un número que caracteriza a las dos superficies (caja y piso) y que se puede determinar con cierta facilidad por medio de un experimento sencillo. Fe,máx = µe (mg) (3.5) Cuando un carro está estacionado en una pendiente, la fuerza de rozamiento estático es la que cancela la acción del peso del vehículo que lo llevaría cuesta abajo. De esa manera, la fuerza neta sobre el carro es c

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