Leyes del Movimiento

La fuerza es la causa del Movimiento de los objetos; los frena como el aire a las gotas de lluvia, los cambia de posición como el Sol a los planetas, o los precipita como la Tierra a una manzana.

La explicación del movimiento en el entorno

PRIMERA LEY DE NEWTON: el estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. La inercia y su relación con la masa.

Si colocas un objeto sobre una mesa y nadie lo toca ni le hace nada.¿ Será posible que pueda moverse? ¿Que hace falta para que se mueva? !Exacto¡ Hace falta que algo o alguien lo empuje, es decir, que una fuerza actué sobre él.

La inercia es una propiedad de la materia que se mide por medio de la masa de manera directamente proporcional es decir, a mayor masa corresponde mayor inercia, de esta forma, el objeto de 50 kg tiene mayor tendencia a quedar en reposo que el de 1 kg.

El movimiento sin fuerza: Galileo y el skateboarding

El skateboarding es un deporte que consiste en deslizarse por una superficie mediante una patineta. Se desarrolló a comienzos de 1986 y esta inspirado en el surf. Algunas competencias se desarrollan en pistas especiales como la que puedes ver en la figura.

Pero, ¿qué tiene que ver el skateboarding con Galileo Galilei?

aunque en primera instancia parece que el skateboarding y el estudio de la física no tienen relación, no es así.

Los trabajos de Isaac Newton enfocados a explicar loas causas del movimiento y los de Galileo Galilei centrados en la descripción del movimiento, nos permite comprender y aprender a disfrutar de este deporte extremo.

¿Puede el movimiento rectilíneo en la dirección horizontal de un patinador realizarse sin una causa externa?

A continuación se expone uno de los experimentos de Galileo sobre planos inclinados, mediante el cual se deduce que en su ausencia de fricción, un objeto en movimiento horizontal continuará moviéndose indefinidamente.

Segunda Ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración.

El Newton como unidad de fuerza.

Cuando se aplica una fuerza sobre un objeto que inicialmente está en reposo y éste se mueve, se produce un cambio en su velocidad, así que experimenta una aceleración. Esto significa que existe relación entre fuerza aplicada y la aceleración producida.

Newton observo que cuando se incrementa la fuerza aplicada, sin variar la masa del objeto también se incrementa la aceleración, por ejemplo, si se duplica la fuerza, se duplica la aceleración y si se triplica la fuerza, se triplica la aceleración. de manera semejante, cuando se reduce a la mitad la fuerza, también se reduce a la mitad la aceleración.

Surge ahora la siguiente pregunta: ¿Que sucede si se aplica la misma fuerza sobre objetos diferentes?

Tercer Ley de Newton: acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas.

Anteriormente se menciono que el peso es un vector cuya dirección es la misma que la de la aceleración de la gravedad. Esto significa que cuando te encuentras de pie sobre el piso, ejerces una fuerza de magnitud igual a tu peso y el piso ejerce sobre ti una fuerza de reacción de la misma magnitud pero de sentido opuesto, ya que si fuera menor entonces te hundirías en el piso.

A toda fuerza de acción corresponde una de reacción de igual magnitud pero de sentido opuesto.

A la tercera ley también se le conoce ley de acción y reacción.

En la siguiente imagen se muestra un carrito sobre una mesa que es jalado por una cuerda que lo une mediante una polea a un peso suspendido. El carrito ejerce una fuerza verticalmente hacia el centro de la tierra de magnitud igual a su peso. De acuerdo con la tercera ley de Newton, la mesa ejerce una fuerza de reacción de la misma magnitud pero de sentido contrario, llamada fuerza normal.

Aplicación de las Leyes de Newton

Hasta este momento se te han presentado las leyes de Newton y algunos ejemplos cotidianos de ellas; sin embargo, como se ha mencionado antes, estas leyes conforman lo que hoy se conoce como mecánica newtoniana, misma que se aplica en diversas áreas.

Efectos de las Fuerzas en la Tierra y el Universo.

La luna gira al rededor de la Tierra y ésta al rededor del Sol. La danza que representan sus movimientos ha influido en la vida, pensamiento y cosmovisión de todas las culturas. Desde tiempos muy antiguos el ser humano estuvo interesado en conocer la posición y movimiento de los astros para orientar la navegación o crear calendarios que organizaran su vida.

Pero. ¿que tipo de fuerza es la responsable de estos movimientos?¿Como se relaciona la Tierra con el resto del Universo? A continuación conocerás las aportaciones de Isaac Newton con respeto a este tema.

Gravitación. Representación gráfica de la atracción gravitacional. Relación con caída libre y peso.

Isaac Newton identifico las fuerzas que actúan en el movimiento de los planetas del Sistema Solar y para explicar la relación entre el movimiento y la fuerza que lo ocasiona, considero que este era de la misma naturaleza que la que experimenta un cuerpo en la superficie de la Tierra por ejemplo, una manzana al caer de un árbol.

La fuerza que causa la caída de una manzana es la misma que mantiene a los planetas girando alrededor de sus órbitas.

Donde: 

f = fuerza de atracción gravitacional que sienten los cuerpos.

g = constante de gravitación universal:

m 1 y m 2 = masas de los cuerpos 1 y 2, respectivamente

r = distancia entre los cuerpos

Aunque Newton fue quien observo y estableció el funcionamiento de esta ley, "(...) no fue si no hasta 100 años después (...) cuando se pudo comprobar en forma experimental que la gravitación es en realidad un fenómeno universal. El físico Henry Cavendish empleando una balanza de torsión equilibro cuidadosamente dos pequeñas esferas, de masas m1 y m2 en una barra horizontal. Al acercar a estas masas dos esferas mas grandes M1 y M2 Cavendish comprobó que la barra giraba produciendo una torsión en el hilo muy fino que las sostenía (...)" Después de ello, pudo determinarse el valor de la constante gravitacional universal G:

Aportación de Newton a la ciencia: explicación del movimiento en la Tierra y en el Universo.

La astronomía es una de las ciencias mas antiguas. Esto, en parte, porque los ciclos astronómicos de los astros permitían a las culturas antiguas, como la egipcia y la babilónica, elaborar calendarios que organizaran la vida de sus sociedades y registrar eventos importantes.

Tal fue la influencia de los astros, que surge la astrología para explicar las fatalidades y oportunidades de la existencia humana a partir de su posición. En la actualidad, aún persiste el interés de los hombre por encontrar sentido a su existencia por medio de los astros; los horóscopos que se incluyen en el periódico son una muestra de ello. Sin embargo, la astrología no es una ciencia y el interés de antaño por la observación se ha perdido para ser reemplazado por la necesidad de describir el movimiento de satélites artificiales o aeronaves.

Modelo Geocéntrico de Tolomeo

Años después, tolomeo ideo un modelo mas simple, el cual suponía que los planetas se movían en círculos cuyos centros giraban alrededor de la tierra. Este modelo se adaptaba bien a las creencias religiosas de la época; por lo tanto, prácticamente estuvo vigente durante 13 siglos. Sin embargo, pese al largo tiempo que perduró, no permaneció estático, sino que se le fueron realizando modificaciones, ocasionando que también terminara complicándose demasiado.

Luego de este periodo. en el siglo XVI, el astrónomo polaco Nicolás Copérnico presento un modelo mas sencillo que sustituyo al de Tolomeo. Este modelo, el Sol esta en reposo y los planetas giran al rededor de él, a lo cual se le llamó teoría heliocéntrica.

Modelo heliocéntrico plantea como centro al Sol.

Diagrama que muestra la órbita elíptica de la Tierra.

Diagrama que muestra el área recorrida por el radio.

La Energía y el Movimiento.

Energía mecánica: cinética y potencial

El concepto de energía proviene del vocablo griego energía que significa acción o actividad. Es aquello que caracteriza la interacción de los componentes de un sistema físico que tiene la capacidad de realizar trabajo.

La energía se expresa en Joules (J). La interacción entre los cuerpos da como resultado transferencia de energía que genera un cambio en la estructura, velocidad, posición y dirección de ambos cuerpos. La energía siempre se presenta de una u otra forma, existen varios tipos de energía. La energía mecánica es la que poseen los objetos cuando tienen la capacidad de interaccionar con los elementos del sistema, del que forman parte para realizar trabajo, y se dividen en dos tipos; energía cinética y potencial; la energía mecánica puede estar en forma de una de las dos o como la suma de las dos.

Energía Cinética

Es la energía que pose un cuerpo en movimiento, es la capacidad de un cuerpo en movimiento para generar trabajo. Se presenta como Ec. La unidad de energía en el sistema internacional es el joule y se representa con ( J ). La energía cinética de un cuerpo es la mitad del producto de su masa por el cuadrado de su rapidez, matemáticamente se expresa como:

Donde: 

Ec = energía cinética (J)

m = masa del cuerpo o del objeto (kg)

v = velocidad con la que se mueve el cuerpo (m/s)

Cuando dos o mas bolas de billar chocan es posible notar 

cómo cambia la energía cinética de ambas

Energía Potencial

Por otra parte la energía respecto de la posición del cuerpo se llama: energía potencial. Esta energía, a diferencia de la cinética, solo depende de la posición respecto a un punto de referencia (comúnmente es la superficie de la tierra) y masa del cuerpo. En ella, un cuerpo situado a diferentes alturas tendrá diferente energía potencial.

Donde:

m = masa del objeto ( kg )

g = aceleracion de la gravedad ( 9.8 m/s2 )

h = altura ( m )

Al caer el agua de una cascada va perdiendo energía potencial

y ganando energía cinética.

Transformaciones de la energía cinética y potencial.

Se ha visto que para un cuerpo de masa m su energía potencial depende de la altura a la que se encuentre con respecto a un punto de referencia y su energía cinética de la velocidad a la que se mueva. Así cuando un cuerpo va cayendo libremente presenta tanto energía cinética como energía potencial.

La energía es también proporcional a la cantidad de masa, por lo que a mayor masa, mayor energía potencial. Dos cuerpos en el mismo sistema, con masas diferentes y a la misma altura, experimentaran energías potenciales distintas.

Conforme cae el objeto aumenta su energía cinética

y su energía potencial disminuye.

Principio de la conservación de la energia.

Existen muchas formas de energía que pueden asociarse al trabajo presente en un sistema. La energía total es igual a la energía potencial mas la energía cinética y permanece siempre constante. Lo anterior se formaliza con el principio de conservación de la energía: la energía puede ser transformada pero no creada ni destruida, la energía total permanece siempre constante.

Energía luminosa.

Energía eólica.

• Energía mecánica: esta relacionada solo con variables mecánicas (posición, masa y velocidad), como los trapecistas en el circo.
• Energía química: esta vinculada con cambios químicos en las sustancias, como el proceso de la combustión de la gasolina o el gas.
• Energía luminosa: es la que proviene de una fuente luminosa; el Sol es una gran fuente de esta energía y, gracias a ella, las plantas pueden vivir y crecer.
• Energía térmica: la que genera el calor de los cuerpos; una olla de presión mueve la válvula en la salida del vapor de agua.
• Energía eléctrica: prácticamente es la electricidad misma, como la que hace que funcionen los aparatos eléctricos.

Proyecto: Imaginar y experimentar para explicar o innovar (opciones). Integración e aplicación.

Ahora que has concluido los temas del Bloque II, es momento de poner en practica las habilidades que has adquirido. Para ello desarrollaras un proyecto en el cual integrarás y aplicarás los siguientes temas:

1. El movimiento y la fuerza aplicados a los cinturones de seguridad.
2. las fuerzas que intervienen en la construcción  de un puente colgante.

Para desarrollar un proyecto, es importante la participación activa de todos los integrantes del grupo y el apoyo de tu profesor para su logro.

¿Que opinas de los proyectos?

¿Crees que son útiles en tu entorno?

¿Cual de las dos opciones escogerías y porque?