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Fuerza y movimiento
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Fuerza, trabajo, ubicación y movimiento son palabras que escuchamos todos los días: • La puerta está trabada; ¡haz fuerza para abrirla! • Subir todos esos alimentos por las escaleras va a costar mucho trabajo. • El jardinero estaba fuera de ubicación y perdió la pelota. • Muévete más cerca si necesitas ver el tablero. Los científicos usan palabras como fuerza, trabajo y ubicación para describir objetos en movimiento. Dedica un momento a definir cada palabra. ¿Cómo la usas en tu vida diaria? ¿Crees que los científicos la usan de manera diferente? ¿Qué es la ubicación? ¿Qué es el movimiento? Comencemos con la ubicación. ¿Qué significa? Quizá hayas visto letreros en los centros comerciales con flechas que señalan un punto en un mapa. La flecha te indica: “Usted está aquí”. Te preguntarás: “¿Cómo sabe el letrero dónde estoy?”. En realidad, ¿cómo sabes tú dónde estás? Sabes cuál es tu ubicación en el centro comercial porque puedes comparar ese punto con otras cosas que aparecen en el mapa. Este mapa muestra tu ubicación en un edificio. Lo importante es comprender que no puedes identificar la ubicación de algo sin conocer la ubicación de otras cosas que lo rodean. Lo mismo sucede con el movimiento. No puedes decir si algo se mueve a menos que puedas compararlo con la ubicación de otra cosa. Si la distancia entre dos cosas está cambiando, ya sabes que al menos una de ellas se está moviendo. A veces puedes decir cuál se está moviendo porque un objeto está en reposo. Imagina que estás volando en un avión por encima del océano. Primero, todo lo que ves es agua en todas las direcciones. Luego, ves un barco que flota en el agua. ¿Cómo puedes saber si el barco se está moviendo? ¿Qué sucedería si el barco estuviera cerca de una isla? © 2013 Rice University – Todos los derechos reservados
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¿Qué es la fuerza? El significado científico de fuerza es simple. Una fuerza es un empuje o un jal. Probablemente sepas qué se siente al empujar un carro o al jalar de una cuerda. Si alguna vez has jugado a jalar la cuerda, también sabes qué sucede si te empujan o si jalan de ti. ¿Qué tiene que ver la fuerza con el movimiento? Ningún objeto cambia su movimiento a menos que una fuerza actúe sobre él. El acto de empujar o jalar cambia el movimiento. El movimiento puede cambiar de varias maneras: • aceleración • desaceleración • cambio de dirección La aceleración también incluye cuando comienza un movimiento desde un estado de reposo. Para cambiar la dirección del movimiento se necesita una fuerza. Esto es cierto incluso cuando la velocidad se mantiene igual. Imagina que estás corriendo y que alguien te golpea desde un lado. Tu velocidad se mantiene igual, pero cambia tu dirección. Esto se El pie del jugador aplica fuerza a la pelota. La debe a que una fuerza actuó sobre ti. fuerza cambia el movimiento de la pelota. Alguien patea una pelota en un campo de juego. ¿Esta fuerza actúa todavía sobre la pelota mientras rueda por el campo? Puede que pienses que sí, pero la respuesta es no. La fuerza del pie del jugador inicia el movimiento de la pelota. Sin embargo, esa fuerza deja de actuar cuando la pelota pierde contacto con la punta del pie. La verdad es que la pelota seguirá moviéndose a la misma velocidad en la misma dirección hasta que otra fuerza actúe sobre ella. El movimiento no necesita más fuerza para continuar. Por supuesto, sabes que la pelota deja de rodar en algún momento. Esto se debe a que otra fuerza actúa sobre la pelota mientras rueda, disminuyendo su velocidad. Esta fuerza se llama fricción. La fricción es la fuerza entre un objeto y la superficie sobre la que se mueve. La fricción siempre actúa en dirección opuesta al movimiento. En el espacio exterior no hay fricción. Si patearas una pelota en el espacio, ¡podría seguir moviéndose en línea recta para siempre! ¿Qué es el trabajo? Una famosa escritora está escribiendo un libro. Sube dos tramos de escaleras para llegar al estudio donde escribe. Durante ocho horas, escribe sin parar con el teclado de su computadora y termina el segundo capítulo. Podrías decir que trabajó mucho todo el día, ¿pero cuánto trabajo hizo en realidad? Según los científicos, la escritora hizo mucho más trabajo al subir las escaleras que el que hizo al escribir. Ahora veremos por qué esto es así. Esta atleta de salto con garrocha hace un trabajo mientras se desplaza. © 2013 Rice University – Todos los derechos reservados
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El trabajo es la fuerza multiplicada por la distancia. ¿Qué significa esto en realidad? Imagina que has subido dos tramos de escaleras. ¡Has hecho más trabajo que alguien que solo ha subido un tramo de escaleras! Ambos han hecho más trabajo que alguien que se quedó al pie de las escaleras. Si no te mueves, no haces ningún trabajo. Mientras la escritora está sentada en su silla, no se mueve. Si no se mueve, no hace ningún trabajo. Al menos no en el sentido científico. ¿Qué herramientas podemos usar para mostrar que se hace un trabajo? Las herramientas nos ayudan a hacer un trabajo. Las herramientas eléctricas nos ayudan al hacer el trabajo por nosotros. Estas herramientas tienen un motor eléctrico o un motor a gasolina que aplica la fuerza necesaria para hacer el trabajo. En otras herramientas, nosotros hacemos toda la fuerza. Estas se llaman herramientas manuales. Las herramientas manuales facilitan el trabajo de dos maneras. Pueden aumentar la cantidad de fuerza y la velocidad a la que se aplica esa fuerza. Una barra aplica una gran fuerza a la Una barra, o palanca, aumenta la fuerza. Probablemente tú no puedas cabeza del clavo. sacar un clavo de una tabla con los dedos, pero puedes usar una palanca. Esto se debe a que la herramienta aumenta la fuerza sobre la cabeza del clavo. Para hacer esto, debes aplicar una fuerza menor con tu mano a lo largo de una gran distancia. Un bate de béisbol y un hacha nos ayudan a hacer un trabajo al aumentar la velocidad a la que se aplica la fuerza. Aplicamos una gran fuerza al mango de la herramienta a lo largo de una corta distancia. Esto hace que el otro extremo de la herramienta se desplace rápidamente a lo largo de una distancia mayor. Consigue una tabla larga, un ladrillo y un peso (por ejemplo, un envase de agua de cinco galones). El envase debe ser pesado, pero debes poder levantarlo. Coloca el ladrillo debajo de la parte central de la tabla y el peso en un extremo. Empuja hacia abajo sobre el otro extremo de la tabla. ¿Cuánto te cuesta hacer que el peso suba? Prueba a acercar el ladrillo hacia el peso. Prueba a alejarlo del peso. ¿Cuánto cambia la fuerza que se necesita para levantar el peso? ¿Cómo cambia la distancia que tienes que empujar? Esta grúa puede levantar un
gran peso. © 2013 Rice University – Todos los derechos reservados
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Perspectiva técnica: Cómo usar un aparejo El aparejo es una herramienta que puede ejercer una gran cantidad de fuerza. Se puede usar para levantar cosas tan pesadas como un carro. Un aparejo está formado por una palanca, una polea y una soga o cadena. La cadena está conectada a la carga (lo que quieres levantar). Cuando empujas la palanca hacia abajo una gran distancia, la rueda de la polea solo gira un poco. La rueda jala de la cadena una distancia corta. La cadena sube la carga un poco. Este es el resultado: tú jalas una gran distancia con una pequeña fuerza y levantas un gran peso una corta distancia. Esta herramienta, que en español se llama aparejo, en inglés se llama “come-­‐along”. ¿Por qué crees que sea así? Cuando jalas de la palanca, lo que hayas sujetado a la cadena se “acercará”, que en inglés se dice “come along”. ¿Qué tanto sabes? Puedes usar todas las herramientas de la siguiente tabla para facilitar el trabajo. Cada una de ellas tiene un lugar donde la persona aplica la fuerza. Cada herramienta, además, tiene un lugar donde la fuerza actúa para hacer el trabajo. En cada herramienta, escribe una “F” donde aplicas la fuerza. Escribe una “T” donde se hace el trabajo. Pinzas Pala Taladro manual Cubo y polea © 2013 Rice University – Todos los derechos reservados
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Trabajar con poleas Un grupo de poleas es una herramienta que puede usarse para aumentar una fuerza que se hace jalando. Las poleas también pueden cambiar la dirección de la fuerza aplicada. Para esta investigación, necesitará estos materiales: • Dos poleas con ganchos (disponibles en una ferretería) Alrededor de 10 metros de soga Una balanza de resortes Un cubo Agua o grava Aumente el peso del cubo añadiendo agua o grava. Asegúrese de que puede levantar el cubo sin esforzarse. Use la balanza de resortes para pesar el cubo. Sujete una polea en un lugar elevado, pero sin que esté fuera de alcance. La rueda debe quedar colgando. Pase la soga por esta polea. Luego, ate un extremo de la soga al cubo y el otro extremo a la balanza de resortes. Jale de la balanza de resortes hasta que el cubo se despegue del suelo (ver Figura A a continuación); luego, anote lo que indica la balanza. Desate la soga del cubo. Ate ese extremo de la soga en un lugar elevado, a varios pies de la polea. 7. Sujete una segunda polea al asa del cubo; la rueda debe quedar hacia arriba. A continuación, pase la soga por la polea del cubo y luego por la polea de arriba. 8. Jale de la balanza de resortes hasta que el cubo se despegue del suelo (ver Figura B a continuación); luego, anote lo que indica la balanza. Busque ejemplos de usos antiguos y actuales de las poleas y compárelos con su sistema de poleas. Pregunte a los estudiantes si observan patrones en los resultados del experimento. Use estas preguntas como ayuda para aclarar estos patrones. • ¿Cómo facilitan el trabajo las poleas? • ¿Cómo se relaciona la cantidad de poleas con la fuerza aplicada? • ¿Reducen las poleas la cantidad de trabajo que debe hacerse? Explica tu respuesta. © 2013 Rice University – Todos los derechos reservados
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