Sigue a educarchile en

Cantidad de usuarios online 1.500.000

Recursos educativos interactivos

compartir

Ficha temática

Fuerza y Movimiento

La Fuerza corresponde a todo lo que sea capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. El siguiente recurso trata acerca de la Fuerza y el movimiento. ¡No te lo pierdas!

Fuerza y Movimiento

Los principios de Newton

Fuerza corresponde a todo lo que sea capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. Newton fue un físico inglés que estudió las fuerzas y definió tres principios o leyes al respecto: el de inercia, el de masa y el de acción y reacción.

Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, éste podrá estar detenido o en movimiento rectilíneo y uniforme. El principio o ley de la inercia señala que al no actuar ninguna fuerza sobre un cuerpo, éste mantendrá su condición de reposo (detención o movimiento rectilíneo uniforme). En hechos cotidianos es observable esta ley. Por ejemplo, cuando un automóvil cambia su velocidad, frenando, acelerando o virando, los pasajeros tienden a seguir el movimiento que tenían antes de aplicar la fuerza. Si el vehículo frena, sus pasajeros sienten como si algo los empujara hacia adelante; cuando el vehículo acelera, se siente como si algo los empujara hacia atrás, y cuando el auto dobla a la derecha, como si algo lo empujara hacia la izquierda. Evidentemente, en ninguno de estos casos hay algo que lo empuje, ya que son sensaciones producto de la inercia o tendencia del cuerpo a seguir moviéndose del modo como venía haciéndolo.

Otra observación de la ley de inercia se realiza al colocar un lápiz o una goma de borrar (o ambos) sobre una hoja de papel. Al tomar la hoja y deslizarla lentamente sobre la mesa, tanto la goma como el lápiz se moverán junto con ésta. Si la hoja se hace deslizar lo más rápidamente posible, la goma y/o el lápiz se quedarán prácticamente en el mismo lugar. Del mismo modo algunos magos sacan el mantel de una mesa sin que se muevan las copas, platos y jarrones. El truco es aplicar el principio de inercia. En ambos casos la situación debe cumplir dos condiciones: la masa de los objetos que están sobre el mantel no puede ser muy pequeña, y el roce entre los objetos y el mantel no debe ser muy grande.

 Ilustración de un papel con un lapiz y goma de borrar encima, sobre una mesa


Las fuerzas aplicadas a los objetos son proporcionales a la masa del objeto y a la aceleración que éste adquiere. Esto se conoce como la segunda ley de Newton, o principio de masa, que se expresa:
F= ma; (1)

Por lo tanto, mientras mayor sea la fuerza sobre un cuerpo, mayor aceleración experimentará y, por otra parte, una misma fuerza producirá mayor aceleración mientras menor sea la masa del cuerpo sobre el cual actúa.
La expresión matemática de este principio (1) define el concepto de fuerza e incluye el principio de inercia. En efecto, si F = 0, necesariamente la aceleración es igual a cero; es decir, el cuerpo está en reposo o bien se mueve a velocidad constante.
De la expresión (1) vemos que la unidad de fuerza debe ser igual al producto entre la masa y la aceleración del cuerpo. El sistema de unidades generalmente usado es el MKS o Sistema Internacional (S.I.). En éste las unidades básicas son: metro para longitud, kilogramo para masa y segundos para el tiempo. Por lo tanto, las fuerzas se miden con el producto entre las unidades de masa y aceleración, kg•m/s2, unidad que se denomina newton, N.

La fuerza, al igual que el desplazamiento y la velocidad, posee una dirección y sentido en el espacio, las cuales estarán determinadas por la aceleración. Por ejemplo, un automóvil viaja en la dirección norte-sur, con sentido hacia el norte, como se indica en la figura:

Ilustración de un automóvil sobre una recta dirigiéndose al norte, tras él se lee sur

Si el vehículo tiene aceleración positiva, es decir, está aumentando su velocidad, entonces la fuerza que actúa sobre él está también dirigida hacia el sentido norte. Pero si su aceleración es negativa, es decir, está, reduciendo su velocidad (o va frenando), entonces la fuerza que actúa sobre él está dirigida en el sentido sur.

Las fuerzas actúan sobre un cuerpo necesariamente, y son aplicadas por otro cuerpo; es decir, las fuerzas se originan cuando los objetos interactúan entre sí. Por eso, si designamos por A y B a un par de cuerpos que interactúan,  Fuerza A BE es la fuerza que A le aplica a B, y Fuerza BE A  es la fuerza que B aplica simultáneamente a A, de igual magnitud, en la misma dirección que Fuerza A BE, pero en sentido opuesto. Matemáticamente podemos, escribir: Fuerza A BE - Fuerza BE A =0. Eso es lo que se llama principio de acción y reacción o tercera ley de newton.

Las fuerzas son de distintos tipos y pueden diferenciarse según la interacción en que se originan. Hay varias importantes en física: las fuerzas  eléctricas, magnéticas, nucleares, entre otras. A continuación nos referiremos a dos: la fuerza de gravedad (o peso) y a la fuerza de roce.

La fuerza de gravedad Fg. Corresponde al producto de la masa (m) de un objeto por la aceleración de gravedad (g) del lugar en que se encuentra (esté o no en movimiento); es decir: Fg =mg. Por ejemplo, si la masa de una persona es de 60 kg, su peso aquí en la superficie terrestre (g = 10 m/s2) es de aproximadamente 600 newton.

La masa de un objeto es una propiedad que lo caracteriza, mientras su peso depende del lugar en que se encuentre (aceleración a la cual está sometido). En efecto, la misma persona cuya masa es 60 kg y posee aquí¬ en la superficie terrestre un peso de 600 newton, en la superficie de la Luna, donde g = 1,6 m/s2, su masa será la misma mientras su peso se reducirá a 96 newton, y en el espacio interestelar, lejos de cualquier astro, donde g = 0, deja de tener peso.

La aceleración de gravedad (g) no solo está presente en la superficie de nuestro planeta. En realidad se extiende a todo el Universo. Tampoco es una propiedad exclusiva de la Tierra, pues la producen todos los cuerpos y todos, en mayor o menor medida, tienen un peso respecto de los demás. Por lo tanto, la gravedad es la principal fuerza que determina la dinámica del Universo a gran escala: galaxias, estrellas y planetas.

La fuerza de roce. El roce es la fuerza que siempre se opone al movimiento, cualquiera sea su origen. Existen fuerzas de roce estático y de roce cinético. Suponiendo que un mueble está en reposo en el suelo, para moverlo se debe aplicar una fuerza sobre él. Si se le aplica una fuerza creciente, por ejemplo usando un resorte o un elástico, se observa que éste se estira antes de que el mueble se empiece a mover. Allí¬ está actuando el roce estático. Después se empezará a mover, y para conseguir que se desplace lenta y uniformemente se necesita aplicar una fuerza menor que la de roce estático máximo. Cuando el mueble ya se esté moviendo, estará actuando el roce cinético. El gráfico siguiente ilustra esta situación.

 Ejemplo fuerza de roce

¿Por qué la fuerza que mide el resorte corresponde a la fuerza de roce?, ¿en qué dirección actúa la fuerza de roce que experimenta la silla con el suelo?, ¿de qué depende el roce entre la silla y el suelo?

La fuerza de roce FR depende tanto de la fuerza normal (N, fuerza que se ejerce perpendicularmente a la superficie que soporta un cuerpo) que el suelo aplica sobre la silla, como de los materiales de que estén hechos el suelo y las patas de la silla. En esta situación en que el suelo es horizontal, el valor de la fuerza normal es igual al peso de la silla.

Ilustración de la situación en que el suelo es horizontal, el valor de la fuerza normal es igual al peso de la silla

 
Las fuerzas de roce estático FRE y cinético FRC se pueden expresar, en función de la fuerza normal N, del siguiente modo:

FRE= μEN
FRC= μCN

En que μE y μC, denominados coeficientes de roce estático y cinético, respectivamente, dependen exclusivamente de los materiales de las superficies en contacto.

La siguiente tabla proporciona algunos valores para estos coeficientes.

Tabla con valores

Los siguientes ejemplos muestran estos conceptos.

Ejemplo 1: Un mueble de 40 kg y con patas de madera está sobre un piso horizontal, también de madera.

¿Cuál es la mínima fuerza horizontal que se le debe aplicar para sacarlo de su estado de reposo?, ¿qué fuerza horizontal es necesario aplicarle para continuar deslizándolo una vez iniciado el movimiento? 

Ilustración de una persona realizando fuerza a una mesa

Como se trata de madera sobre madera, los coeficientes de roce estático y cinético son μE = 0,7 y μC = 0,4 respectivamente. Como el peso del mueble es Fg = (40 kg)•(10 m/s2) = 400 newton, igual a la normal N, por tratarse de una superficie horizontal, entonces, aplicando las relaciones anteriores, tenemos:

FRE= μEN = 0,7•(400 N) = 280 N.

FRC= μCN = 0,4•(400 N) = 160 N.

Ejemplo 2: Un cajón de madera lleno de manzanas tiene una masa de 30 kg. Para deslizarlo suavemente sobre un suelo horizontal de concreto se necesita aplicarle una fuerza horizontal de 150 N. ¿Cuál es el coeficiente de roce cinético entre la madera y el concreto?
Según las expresiones anteriores tenemos que Fórmula.
Como N = (30 kg)•(10 m/s2) = 300 newton y FRC = 150 newton, tenemos que μC = 0,5.

Los coeficientes de roce son cantidades adimensionales; es decir, no tienen una unidad de medición, y siempre, cualquiera sea el par de materiales que se considere, μE μC y sus valores no dependen de la extensión de las áreas en contacto.

Fuerza y torque. La fuerza que actúe sobre un cuerpo, además de cambios en su estado de movimiento, puede producir otros efectos; por ejemplo, deformarlo. Esto último ocurre cuando se estira un elástico o resorte o bien cuando se modela un trozo de greda o plasticina. En este último caso se trata de una deformación permanente, y en el primero, si el resorte o elástico es de buena calidad, una deformación momentánea. El caso de la deformación que experimenta un resorte cuando lo estiramos es de gran importancia, puesto que proporciona un método para medir fuerzas en situaciones estáticas, como cuando se usa un dinamómetro.

Otro efecto que puede producir una fuerza, dependiendo del punto sobre el cual se aplique a un cuerpo, es el de rotación o giro. Cuando esto ocurre, decimos que la fuerza está produciendo un torque.

Aplicamos torque en muchas circunstancias: cuando empleamos herramientas como alicates y tijeras, con destornilladores, en un balancín en que juegan un par de niños o cuando abrimos o cerramos una puerta.

Si designamos por  al torque producido por una fuerza F, se le puede expresar como Π= F • r, en que r, denominado brazo, es la distancia entre el eje de giro del cuerpo y el punto de aplicación de la fuerza para el caso simple en que la fuerza es perpendicular al brazo.

Casos en que habitualmente se producen torques

La siguiente figura ilustra algunos casos en que habitualmente se producen torques:
 
En todos los casos la fuerza se ha representado como una flecha azul y el brazo en rojo. En el caso del balancín, se ha dibujado solamente el torque que aplica el niño más grande. Si el balancín está en equilibrio, entonces los torques producidos por los pesos de los niños son iguales, no así las fuerzas.

foto color
 LEYES DE NEWTON Esta guía de trabajo te permitirá relacionar algunas variables observadas por Newton para plantear sus leyes del movimiento: inercia, acción y reacción y principio de masa. Es recomendable que contestes la guía primero. Si tienes alguna duda, anótala. Luego revisa el contenido de la ficha n.º 1 “Fuerza y movimiento”. Luego vuelve a contestar la guía o revisa si hay algún error.Ir a la actividad
Guía del docente: LEYES DE NEWTON



Descripción curricular:

- Nivel: 2.º Medio 

- Subsector: Ciencias físicas

- Unidad temática: El movimiento

- Palabras clave: Newton, aceleración, fuerza, principio de masa, inercia, acción y

  reacción, peso.

 

- Contenidos curriculares: Fuerza y movimiento

- El concepto de fuerza que actúa sobre un objeto. Fuerza de acción y

  reacción. Formulación y discusión del principio de inercia.

- Relación entre la fuerza que actúa sobre un móvil y su aceleración.

  Concepto de masa inercial. Ejemplos en la naturaleza: en el cosmos, la vida

  diaria, el mundo de lo pequeño, con énfasis en la disparidad de valores. Uso

  de la notación científica.

 

- Aprendizajes esperados:

- Relacionan cualitativa y cuantitativamente efectos con causas (por

  ejemplo, aceleración con fuerza)

- Identifican el aporte al avance de la ciencia de algunos grandes

  físicos (Galileo, Kepler y Newton, por ejemplo)

- Miden y manejan con soltura magnitudes y unidades de uso común (la

  masa de un cuerpo, por ejemplo)

 

Contenidos relacionados:

- 1.º Medio: 

La luz: naturaleza ondulatoria de la luz.

La electricidad: carga y corriente eléctrica.

La electricidad: la energía eléctrica.

 

- 2.º Medio:

El movimiento: descripción del movimiento.

El movimiento: energía mecánica.

El calor: conservación de la energía.

La Tierra y su entorno: la Tierra, el dinamismo del planeta.

La Tierra y su entorno: el sistema solar.

La Tierra y su entorno: el universo.

 

- 3.º Medio:

Mecánica.

Fluidos.

 

- 4.º Medio:

Electricidad y magnetismo.

El mundo atómico.

 

Aprendizajes esperados de esta actividad: 

- Identificar situaciones en que una fuerza actúa sobre un cuerpo.

- Reconocer que las fuerzas actúan sobre los cuerpos y no son propiedad de éstos.

- Relacionar la fuerza, masa y aceleración como variables que componen la observación

  de Newton en su formulación del principio de masa.

- Reconocer las unidades con las que se mide la fuerza ejercida sobre un cuerpo.

- Reconocer que el peso es una fuerza.

- Identificar una situación cotidiana en la que se evidencia la ley de inercia.

- Relacionar la formulación de la ley con el actuar de la sociedad.

- Reconocer, mediante observaciones de un registro, la ley de acción y reacción en

  situaciones cotidianas.

 

Recursos digitales asociados:

- Ficha temática: Fuerza y movimiento.

- Diapositivas digitales (ppt): “El movimiento”

 

Actividades propuestas para este tema: 

En esta guía de trabajo se pretende reforzar las relaciones y observaciones que se incluyen

en las tres leyes del movimiento, planteadas por Isaac Newton. Mediante la presentación de

datos y el registro de experiencia, se pretende que el estudiante demuestre una comprensión

del manejo de conceptos incluidos en los contenidos de fuerza y movimiento.

 

ACTIVIDAD: Leyes de Newton

 

2H 

 

1. Mapas de contenidos tratados

 

mapa 

 

2. Desarrollo de la actividad: Leyes de Newton

 

Se recomienda aplicar esta guía de trabajo luego de las actividades de

reconocimiento de las leyes de Newton. Cada estudiante debe contar con la

guía del estudiante y acceso a la ficha n.º 10 “Fuerza y movimiento”.

 

Paso 1 

Proceda a leer en conjunto con ellos el contenido de la guía, y esté atento a

contestar posibles dudas en la formulación de la misma.

 

Paso 2

Pídales que desarrollen la guía de trabajo. Esté atento a las preguntas que

surjan, y vigile el desarrollo de la guía. En caso de que surjan dudas,

sugiera que anoten sus preguntas para hacerlas luego.

 

1.  Piensa en un objeto en reposo, como una pelota de fútbol en medio

     de una cancha.

 

a.  ¿Qué debe ocurrir para que esta pelota se mueva?

     Con esta pregunta se busca que los estudiantes asocien que

     uno de los efectos de la aplicación de una fuerza sobre un

     cuerpo es el movimiento. Por lo tanto, las respuestas que den

     cuenta de que necesitan aplicar una fuerza para que la pelota

     se mueva, están más cercanas al objetivo de esta pregunta.

 

b.  Señala tu grado de acuerdo con la frase “Para mover un objeto

     pesado, debo tener mucha fuerza”. Argumenta tu postura.

     Las fuerzas son interacciones entre dos cuerpos. Se evidencian

     cuando hay efectos, como movimiento, deformación o ruido de

     alguno de ellos o ambos. La fuerza no se posee, sino que se

     aplica o ejerce. La respuesta será más correcta mientras se

     reconozca que la fuerza se aplica.

 

2.  El siguiente dibujo muestra el esquema de un pequeño camión de

     juguete sobre una superficie plana en altura. El camión está atado

     mediante un gancho a una cuerda que pasa por una polea. Desde la

     cuerda se cuelgan algunos objetos pesados.

 

truck

 

En el dibujo, m representa una masa que carga el camión y que es

variable. F representa una fuerza ejercida sobre el camión.

Se aplica una fuerza sobre el camión y se determina la aceleración

del camión. Se realizan varios experimentos, modificando cada vez la

carga que transportaba el camión (m). La siguiente tabla muestra

esos resultados:

 

                 tabla1 

 

a.  ¿En qué unidades se mide la fuerza?

     La fuerza se mide en Newton, o kg·m/s2

 

b.  De acuerdo con lo que observas en el dibujo y en la tabla,

     señala tu grado de acuerdo con la frase “El peso es una

     fuerza”. Argumenta tu posición.

     Si el peso de un cuerpo causa finalmente el movimiento del

     vehículo, se reconoce como un efecto de las fuerzas y por lo

     tanto sería una fuerza. También se reconoce al peso como la

     fuerza con la cual la Tierra atrae a los cuerpos (ley de

     gravitación universal).

 

3.  En otro experimento, se mantuvo la masa constante sobre el camión,

     cambiando la fuerza que se le aplica. Los resultados de la medición

     de la aceleración son los que muestra la siguiente tabla.

 

                 tabla2  

 

Observando las dos tablas presentadas:

a.  ¿Qué ocurre con la aceleración cuando la masa del camión

     aumenta?

     En la primera tabla puede verse el efecto. Mientras la fuerza se

     mantiene constante, la aceleración del camión disminuye con

     el aumento de la masa.

 

b.  ¿Qué ocurre con la aceleración del camión cuando aumenta la

     fuerza que se le aplica?

     De acuerdo con la segunda tabla, al mantener constante la

     masa del camión, si aumentamos la fuerza con que se empuja,

     también aumenta la aceleración.

 

4.  En muchos países del mundo, las leyes obligan a los automovilistas a

     usar el cinturón de seguridad. Explica la razón de esta medida,

     considerando la ley de inercia de Newton.

     La ley de inercia de Newton señala que los cuerpos tenderán a

     mantener su estado de reposo (o movimiento) si no hay ninguna

     fuerza que cambie ese estado. De acuerdo con ello, los pasajeros de

     un automóvil van a tender a moverse en el sentido en que se mueve

     el automóvil, pudiendo ello causar daños si el conductor del vehículo

     intenta detener su movimiento o si otra fuerza lo hace.

 

5.  Observa el siguiente dibujo, que ilustra una botella de champaña

     sobre una balanza, antes de descorcharse y justo en el momento en

     que el corcho sale disparado de la boquilla de la botella.

 

                    bottles 

     De acuerdo con la ley de acción y reacción, elabora una explicación

     de las diferencias que se observan en la lectura de la balanza.

     La explicación debe dar cuenta de la comprensión de la acción y la

     reacción. En este caso se distinguen dos cuerpos: la botella y el

     corcho. El contenido de la botella ejerce una fuerza sobre el corcho

     para que éste salga disparado por la boquilla. Cuando el corcho sale,

     ejerce una fuerza sobre la botella, en dirección contraria a su

     movimiento, lo cual se refleja en la lectura de la balanza. Las

     diferencias de masa entre los cuerpos definen cuál será el cuerpo que

     más se acelere al aplicarse la fuerza.

 

Paso 3

Pida a los estudiantes que lean la ficha n.º 10 y que contesten nuevamente

la guía. Haga hincapié en la revisión de conceptos definidos y en las

relaciones observadas por ellos, en comparación con las enunciadas en la

guía. Sugiera que intenten contestar sus dudas de acuerdo con el contenido

del texto.

Información

Técnica

Descripción BreveLa Fuerza corresponde a todo lo que sea capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. El siguiente recurso trata acerca de la Fuerza y el movimiento. ¡No te lo pierdas!
Temas relacionados

>>Presentación: Fuerzas y movimientos

>>Video: Física entretenida: Acción y reacción

>>Video: Física entretenida: Fuerza de roce

IdiomaEspañol (ES)
AutorEducarchile
Fuentewww.educarchile.cl
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
2° medioFísicaFuerza y movimiento

Archivos

Descarga

Queremos tu

Opinión