Este material se adaptó en html5 a partir del interactivo "¿Cuáles son las causas del movimiento?" desarrollado con el applet Descartes, propiedad del Ministerio de Educación de España y distribuido bajo la licencia Creative Commons.
El original fue elaborado por Carlos Alberto Serrato Hernández y la propuesta de contenido por Abraham Pita Larrañaga para el proyecto de Telesecundaria coordinado por el ILCE. Las explicaciones incluidas en la presente versión fueron realizadas por Teresa Vázquez.
Todos los días enfrentas situaciones parecidas a las que ves en las imágenes. Tienes una idea intuitiva acerca de lo que es la fuerza y de cómo debes aplicarla para mover un objeto, pero, ¿podrías definirla?
Notarás que para que exista una fuerza tienen que interactuar al menos dos objetos o cuerpos.
En una de las imágenes interactúan un hombre y un burro, en otra un cohete y el gas que expulsa; en el caso del camión se trata del freno y de las personas que van adentro, y el cazador que dispara el rifle.
Otro punto interesante es que cuando actúa una fuerza entre dos objetos, o se cambia su
estado de movimiento, o se cambia su estado de reposo: el cohete despega,
el burro y el hombre intentan romper el reposo y el cazador que dispara el rifle experimenta
un movimiento en sentido contrario al de la bala.
Ahora trataremos de explicar por qué sucede todo lo anterior.
¿Quién ganará? ¿El hombre o el burro?
¿Cuál es la fuerza que impulsa al cohete?
¿Por qué el rifle golpea el hombro del cazador al disparar?
Seguramente alguna vez te has puesto unos patines y ya sabes que si te impulsas de una pared te alejarás de ella. Vamos a estudiar con cuidado por qué sucede esto.
Aquí te presentamos a un patinador que va a empujar una caja de embalaje.
Para comenzar, deja fija la masa del señor, por ejemplo en 60 kg o en el valor que quieras.
Pon la masa de la caja igual a la del patinador.
Lo importante es que no cambies las masas durante el experimento para que puedas comparar los desplazamientos.
Lo que vas a variar es la magnitud de la fuerza con la que el patinador empuja a la caja.
Prueba con fuerzas grandes y pequeñas. Cada vez que lo hagas deja correr la animación 8 segundos y
presiona el botón APUNTAR.
Se quedarán anotados los valores del desplazamiento de ambos cuerpos y los podrás comparar en la sección APUNTES.
En las gráficas se muestra la aceleración, la velocidad y el desplazamiento con respecto al tiempo. Las líneas azules corresponden al movimiento del hombre y las amarillas al movimiento de la caja.
¿Qué observaste?Un buen físico experimental analiza los datos y las gráficas antes de dar una respuesta.
Vamos por partes.
Analizando las gráficas nos damos cuenta de que en todos los casos
son simétricas, es decir se reflejan como si un espejo estuviera colocado en la línea del 0.
Esto significa que la aceleración, la velocidad y el desplazamiento de ambos cuerpos son iguales en magnitud pero de signo contrario. Claro, porque la caja se mueve hacia la derecha y el hombre hacia la izquierda, y además hombre y caja pesan lo mismo.
Si analizas la tabla de datos verás este hecho reflejado en los números. La distancia recorrida por el patinador se muestra con signo negativo para indicar que el desplazamiento ocurre en sentido contrario al de la caja.
Ahora fija la fuerza en 100 N y la masa de la caja en 70 kg. Lo que vas a variar es la masa del hombre. Comienza con valores pequeños, como si fuera un niño quien empujara, y termina con valores grandes, como si se tratara de un luchador de zumo.
No olvides apuntar tus registros después de cada simulación para obtener una tabla de datos confiable. También intenta interpretar las gráficas.
¿Qué observaste?
En esta ocasión las gráficas no son simétricas.
Observa que la aceleración de la caja
siempre tomará un valor de 0.5 m/s2 durante el primer segundo y después toma un
valor de cero.
Ese es el tiempo que el patinador hace contacto con la caja, es decir, mientras aplica la fuerza. No te confundas con la escala ya que podrá variar.
También
observa que la velocidad de la caja siempre llega a 1 m/s durante el primer segundo
y luego se mantiene constante.
La distancia recorrida es la misma en todos los casos.
Es decir, si no varías la fuerza aplicada ni la masa de la
caja, ésta se comportará de la misma manera si la empuja un niño,
un hombre flaco o uno gordo.
Claro, no tendría por qué variar. Pero al patinador sí le afecta el peso.
Si es muy pequeño, la fuerza con la que empuja lo hará desplazarse hacia atrás con
mayor velocidad y recorrerá más distancia.
Por
el contrario, si tiene más masa que la caja, su desplazamiento será menor.
Continúa trabajando con una fuerza fija de 100 N y el peso del patinador fijo en 75 kg. Varía la masa de la caja, empieza con valores pequeños y auméntalos gradualmente.
Apunta tus resultados y observa las gráficas.
Por supuesto que ya sabes qué pasará, pero no está de más que hagas la simulación de nuevo.
Recuerda: el patinador hace contacto con la caja durante un segundo. En ese periodo existe una aceleración, pero al perder contacto ésta desaparece y ambos se moverán con velocidad constante.
¿Qué observaste?Efectivamente, la situación está invertida con respecto al experimento anterior. Ahora es el patinador quien tiene el mismo desplazamiento en todos los casos y la caja se desplaza más entre menos sea su masa.
Se puede concluir que si se aplica la misma fuerza a diferentes cuerpos el efecto que tenga en cada uno de ellos depende de su masa. Una masa mayor resiente menos el efecto de la fuerza que una menor.
En otras palabras, el efecto de una fuerza sobre un cuerpo es proporcional a su masa.
Hasta aquí todo está muy bien, salvo una pequeña cuestión: ¿si sólo se aplica una fuerza por qué se mueven los dos cuerpos? El patinador empuja la caja pero, ¿la caja empuja al patinador?
Pues sí, efectivamente eso sucede. Lo que acabas de estudiar con el patinador y la caja concuerda con la realidad. Tú podrías experimentarlo por ti mismo si te pones unos patines y te empujas de algún objeto.
¿Y por qué se tienen que usar los patines?
Pues para que la fricción con el suelo no te impida ver los desplazamientos. También
podrías observar este fenómeno si caminaras sobre hielo, o como en el caso del tren de
levitación magnética, si pudieras suspenderte en el aire con imanes para que tus pies no
rozaran el suelo.
Con todo lo que has visto ya puedes formular la Tercera Ley de Newton:
A toda fuerza de acción corresponde una fuerza de reacción, de igual magnitud pero de sentido contrario.
Otra cosa importante que aprendimos:
La fuerza de acción y la de reacción no actúan sobre el mismo cuerpo por lo que no se anulan entre sí.
Ahora puedes reconocer estos principios en las preguntas que se plantearon en la introducción.
¿Quién ganará? ¿El hombre o el burro?
Pues dependerá de la masa del hombre y de la masa del burro, ya que como las fuerzas de acción y de reacción no actúan sobre el mismo cuerpo alguno de los dos se moverá primero.
¿Cuál es la fuerza que impulsa al cohete?
Para que un cohete despegue, la tercera ley de Newton resulta fundamental.
Al quemarse el combustible se produce un flujo de gas hacia abajo y la reacción es la que impulsa el cohete hacia arriba.
¿Por qué el rifle golpea el hombro del cazador al disparar?
El cazador se golpea porque la bala ejerce una fuerza hacia delante y por lo tanto
el arma experimenta una fuerza en sentido contrario atrás.
Como el arma está en la mano del cazador, es éste quien siente la reacción.
| Tiempo | Masa Patinador (Kg) | Masa Caja (Kg) | Fuerza (m*kg/s2) | Distancia Patinador (m) | Distancia Caja (m) |
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