texto para el estudiante

TEXTO PARA EL ESTUDIANTE
Rosa Uribe Martínez
Magíster en
Ciencias de la Educación
Francisco Soto Arteaga
Profesor de Física y
Ciencias Naturales
Presentación
Preconceptos de la Unidad
Aquí encontrarás preguntas que te ayudarán
a conocer tus ideas sobre los fenómenos que
estudiarás en la unidad.
4
Entrada de Unidad
A través de imágenes y una breve introducción temática, despertarás tu
interés por los contenidos y aprendizajes que se presentan en la unidad.
Contenidos
Los contenidos de cada
unidad están organizados
en Capítulos, los que se
acompañan con
imágenes, ilustraciones y
actividades no
experimentales que te
ayudarán a la
comprensión del tema.
Manos a la obra
Son actividades experimentales que
te ayudarán a comprender mejor
los contenidos estudiados y que
deberás realizar con tu equipo de
trabajo de forma colaborativa,
practicando las destrezas del
trabajo científico.
Revisando tus
conocimientos
Esta sección se presenta
al final de cada Capítulo y
te permitirá evaluar tus
aprendizajes parciales.
Construye tu conocimiento
Son proyectos que tienen como
objetivo aplicar e integrar los
conceptos, habilidades y valores
que se han desarrollado en las
unidades tratadas.
Algo más para aprender...
Te ofrecemos una lectura
científica relacionada con la
unidad, pero aplicada a un
tema de interés general. Te
permitirá extender y
profundizar tus conocimientos.
Síntesis
Estas páginas te ayudarán a
revisar y retroalimentar los
aprendizajes que has
estudiado en la unidad.
Evaluación
Aquí podrás evaluar los diferentes niveles de aprendizaje
que deberías haber logrado durante el desarrollo de la
unidad.
Actividad
Es una propuesta de trabajo no experimental, que puedes desarrollar de
manera individual o en parejas, con el objeto de aplicar y usar
significativamente los conocimientos.
Científicos con actitud
Para saber...
Esta sección está dedicada
a entregarte información
interesante que
complementará lo tratado
en la cada unidad.
Es un espacio que te invita a la reflexión y al desarrollo de una actitud ética
en torno a la actividad científica y sus impactos en el medio social y natural.
Para no olvidar
Aquí encontrarás pequeñas síntesis de conceptos clave que has aprendido en una
sección del Texto.
Una mirada a la Historia
Esta sección te conectará con información relevante sobre los aportes de científicos al
conocimiento y a la humanidad.
En esta sección te indicamos páginas Web, donde encontrarás material complementario o de
profundización de los temas tratados.
5
Índice
· Destrezas científicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
UNIDAD 1
· Seguridad para trabajar en ciencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Fuerza y movimiento
11-62
· Preconceptos Unidad 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
CAPÍTULO 1
Acciones e interacciones
· Fuerzas en nuestra vida cotidiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
· Características de la fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
· MANOS A LA OBRA: Sumando fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
· El peso y las fuerzas de roce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
CAPÍTULO 2
Las máquinas
· Máquinas y mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
· MANOS A LA OBRA: Trabajando con máquinas . . . . . . . . . . .46
· Tipos de máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
· MANOS A LA OBRA: Experimentando con poleas . . . . . . . . .50
· Construye tu conocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
· Síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
UNIDAD 3
33-43
· Cambios en el movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
· MANOS A LA OBRA: Acróbatas y artilleros en acción . . . . . .40
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Describiendo movimientos
· Movimiento y reposo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
· Caída libre y movimientos verticales . . . . . . . . . . . . . . . . .36
· MANOS A LA OBRA: Movimientos verticales . . . . . . . . . . . . .37
CAPÍTULO 3
14-32
· MANOS A LA OBRA: Fuerzas que afectan
el movimiento de los cuerpos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
· Las fuerzas y el movimiento humano . . . . . . . . . . . . . . . .29
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
44-57
· MANOS A LA OBRA: La máquina humana . . . . . . . . . . . . . . .53
· Diseñando máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
· Evaluación Unidad 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
· Algo más que aprender... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Los seres vivos que nos rodean
101-144
· Preconceptos Unidad 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
CAPÍTULO 1
· ¿Qué es la ecología? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
· ¿Cómo se diferencian los seres vivos? . . . . . . . . . . . . . . .108
· MANOS A LA OBRA: Hongos en acción . . . . . . . . . . . . . . . . .111
· MANOS A LA OBRA: Conociendo las plantas . . . . . . . . . . . . .118
CAPÍTULO 2
104-131
· Relaciones entre los seres vivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
· Ecosistemas en nuestro país . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
La ecología como ciencia
Magnitud y crecimiento de una población
132-139
· Factores que regulan la distribución y abundancia
de las poblaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
· El crecimiento poblacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
· MANOS A LA OBRA: Haciendo un estudio
de la fauna de tu región . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
· Factores que limitan o regulan el crecimiento
de una población . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
· Construye tu conocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
· Síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
· Evaluación Unidad 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
· Algo más que aprender... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
6
UNIDAD 2
El cuerpo humano, un sistema organizado
63-100
· Preconceptos Unidad 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
¿Cómo funciona nuestro cuerpo?
66-73
· Uniendo las ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
· MANOS A LA OBRA: La indagación científica . . . . . . . . . . . . . .70
CAPÍTULO 1
· El corazón, un motor perfecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
CAPÍTULO 2
Los órganos que intervienen en el movimiento
· Elasticidad, músculos y movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . .74
· MANOS A LA OBRA: Registrando los datos,
· Movimiento muscular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
· Los huesos, piezas duras y resistentes . . . . . . . . . . . . . . . .82
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
74-86
logrando una conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
· MANOS A LA OBRA: ¿Cómo debo transportar el peso
en mi mochila? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
El sistema nervioso nos permite responder a nuestro medio 87-95
· ¿Cómo respondemos a los distintos sentimientos? . . . . .87
· MANOS A LA OBRA: ¿Qué sabores percibimos? . . . . . . . . . . .94
CAPÍTULO 3
· Divisiones del sistema nervioso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
· MANOS A LA OBRA: Estudiando nuestro
ritmo respiratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
· Construye tu conocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
· Síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
· Evaluación Unidad 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
· Algo más que aprender... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
UNIDAD 4
La biodiversidad de nuestro país
145-178
· Preconceptos Unidad 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
Biodiversidad y factores que la afectan
148-166
· Biodiversidad en Chile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
· MANOS A LA OBRA: Análisis de las precipitaciones
en nuestro país . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
· MANOS A LA OBRA: En busca de la biodiversidad . . . . . . . .151
CAPÍTULO 1
· Factores que determinan la distribución
de las especies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
· Biodiversidad que existe en nuestro país . . . . . . . . . . . .156
CAPÍTULO 2
Desarrollo sustentable
· Recursos naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
· MANOS A LA OBRA: Estudio de un árbol . . . . . . . . . . . . . . . .168
· Recursos parcialmente renovables y no renovables . . .170
· Conservación de la biodiversidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
· Especies introducidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
167-173
· Desarrollo sustentable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
· Revisando tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
· Construye tu conocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
· Síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
· Evaluación Unidad 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
· Algo más que aprender... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
· Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
· Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
7
Destrezas relacionadas con el proceso científico
Los científicos constantemente se hacen preguntas sobre algo que ocurre en la naturaleza, y mediante la utilización de
destrezas relacionadas con el proceso científico tratan de responder. Tú usas muchas de estas destrezas cuando piensas, lees,
escribes y escuchas.
Durante el desarrollo de este Texto tendrás muchas oportunidades para practicar y aplicar estas destrezas, que finalmente te
ayudarán a desarrollar habilidades para actuar y percibir el mundo en busca de soluciones a problemas que se plantean
cotidianamente.
A continuación, te invitamos a conocer algunas de las destrezas que practicarás en este Texto:
Observar
Es la destreza básica del trabajo científico. Cuando observas, usas tus
sentidos para percibir las propiedades de los objetos o sucesos. Cuando
con nuestros sentidos no podemos observar todo, utilizamos
instrumentos como una lupa, microscopio o telescopio. Hacer buenas
observaciones te permitirá desarrollar otras destrezas importantes,
como inferir, comparar, clasificar y medir.
Medir y recopilar datos
La medición es una forma de observación. Cuando mides algo,
usas instrumentos como termómetros, reloj o regla.
Hacer y usar modelos
Cuando los objetos de estudio son muy grandes o muy pequeños,
o cuando el proceso lleva mucho tiempo o es poco frecuente, un
modelo imaginario o físico ayuda a entender el proceso. Por
ejemplo, cuando usas un mapa estás utilizando un modelo de una
zona geográfica.
8
Predecir
Los científicos usan lo que saben para predecir lo que
sucederá. La observación les ayuda a hacer predicciones en
lugar de adivinar.
La mejor manera de verificar tu comprensión de algo es
prediciendo un resultado y posteriormente comprobando qué
tan cerca estuvo tu predicción del resultado real. La primera
etapa es interpretar los datos que reuniste.
Inferir y formular hipótesis
Cuando infieres, explicas un suceso utilizando la observación,
información o experiencia previa y tu propio juicio. Las inferencias
son siempre válidas, pero no necesariamente correctas, por esto
debemos entonces transformar esa inferencia en hipótesis para
poder someterla a prueba en un experimento. Una hipótesis es una
afirmación sobre cómo una cosa será afectada por otra, es decir, das
una explicación sobre la relación entre causa –efecto (variables).
Una hipótesis se basa en la observación, en el conocimiento y en los
resultados de experimentos que ya se han hecho.
Experimentar
Cuando experimentas, realizas los pasos necesarios utilizando
instrumentos adecuados con los que recopilas datos y sacas
conclusiones. Un experimento bien diseñado te va a permitir
probar una hipótesis en condiciones en las que las variables
se controlan o manipulan.
Sacar conclusiones y comunicar
Basándote en los datos obtenidos de acuerdo a la pregunta de
investigación y la hipótesis, estás en condiciones de explicar el
fenómeno gracias al análisis que realices. Finalmente, comunica tus
resultados a los demás.
9
Seguridad para trabajar en ciencias
La investigación científica suele ser muy entretenida; sin embargo, debes tener mucha precaución con la seguridad durante
la ejecución de los diferentes experimentos. A continuación te presentamos algunas reglas que se deben seguir:
1. Planifica: estudia bien cada paso del trabajo que vas a realizar para saber lo que debes hacer, en qué momento y
las precauciones que debes tomar en cada caso.
2. No huelas ni pruebes nada: a menos que el experimento lo requiera, nunca huelas ni pruebes nada. Tampoco
puedes comer alimentos durante la ejecución de la experiencia, ya que estos se pueden contaminar con las
sustancias que estás usando.
3. Cuida la limpieza y el orden: sé limpio al trabajar. La suciedad y el desorden pueden interferir en los resultados del
experimento. Mantén ordenado el lugar de trabajo; esto es vital para que sepas dónde están las cosas que vas a
necesitar. Si tienes el pelo largo, amárratelo para que no te moleste durante el trabajo. Si no tienes delantal con botón
en las mangas, enróllalas, ya que con ellas puedes pasar a llevar algún reactivo o material de tu experimento.
4. Informa: si rompes o derramas algo, avisa de inmediato a tu profesora o profesor; no toques nada, porque te
puedes cortar, quemar o hacer daño.
5. Cuida tus ojos y manos: cuando te lo indiquen, usa guantes o lentes protectores. Si te entra algo a los ojos o te
quemas, avisa de inmediato a tu profesora o profesor; ellos sabrán qué hacer.
6. Cuidado con la electricidad: si vas a trabajar con aparatos eléctricos, preocúpate de que los cables no estén cerca
de tus pies y nunca trates de desenchufar un aparato tirando del cable.
7. Para finalizar: cuando termines de trabajar, deja todo guardado y limpia tu área de trabajo y finalmente lávate
bien las manos.
En algunas actividades te encontrarás con estos símbolos de seguridad. Tómalos siempre en cuenta cuando
planifiques tu actividad.
Usa lentes protectores
Usa guantes
Cuidado que corta
Cuidemos el medio ambiente
Cuidado que quema
Es puntiagudo
Usa delantal
10
PRECONCEPTOS
UNIDAD 1
Trabaja con tu compañero o compañera de puesto las siguientes situaciones:
· Rodrigo dice que cuando juega fútbol y recibe
la pelota en el aire con su pecho, la pelota se
detiene porque él aplica una fuerza sobre la
pelota. Su amiga Camila dice que en realidad
es la pelota la que ejerce la fuerza sobre
Rodrigo. ¿Quién tiene la razón?
· En las competencias del aniversario del Colegio
El Carmelo, se realiza el juego de “tirar la
cuerda”. En esta competencia se presentan dos
equipos de igual número de estudiantes y la
profesora selecciona a los estudiantes de tal
forma que en los dos equipos haya estudiantes
de similar contextura y capacidad física. ¿Cómo
puede entonces un equipo ganar al otro, si
ambos son prácticamente iguales?
· Claudia es una destacada deportista que juega
básquetbol en la selección del colegio. Ella
afirma que una diferencia entre los seres vivos
y los cuerpos inanimados (como una piedra) es
que solamente los primeros pueden ejercer
fuerzas, mientras que los objetos solamente
pueden recibir la fuerza.
UNIDAD 1
11
UNIDAD 1
Fuerza y movimiento
Imagina por unos instantes que todos los cuerpos
que se encuentran sobre la Tierra, incluyendo a
las personas, no “pesaran”, es decir, pueden flotar
sobre el suelo... ¿Cómo haríamos para
trasladarnos desde un lugar a otro?
Ahora bien, si agregamos más dramatismo a la
situación anterior, de tal forma que además de no
experimentar peso suponemos que todos los
cuerpos están cubiertos de alguna sustancia muy
resbalosa (como aceite), que hace que todo lo
que tomemos se resbale de nuestras manos...,
¿no nos resultaría en este caso más difícil aún
caminar o saltar?
¿Te has preguntado alguna vez cómo sería
nuestra vida si pudiésemos flotar, tal como lo
hacen los astronautas en el interior de su nave?
12
¿Qué cosas no podríamos hacer? ¿Qué cosas
haríamos con mayor facilidad?
En esta unidad, estudiaremos un fenómeno que
está presente de manera constante en nuestra
vida cotidiana: el movimiento y las fuerzas. Al
mirar nuestro entorno, es fácil observar que
prácticamente todo está en movimiento: el aire
que nos rodea, los pájaros e insectos en el jardín,
nuestro cuerpo y, por supuesto..., ¡el planeta
sobre el cual estamos parados! Por otra parte,
sabemos que la mayor parte de los movimientos
que observamos en nuestro entorno pueden ser
modificados por la acción de algo que llamamos
fuerza, tal como ocurre cuando un tenista con su
raqueta golpea una pelota que viene hacia él y la
devuelve hacia su oponente.
Efectos de la
fuerza en el
movimiento
humano
Caída libre y
movimientos
verticales
Los cambios en
el movimiento
Máquinas y
mecanismos
Capítulo 3:
Las máquinas
La fuerza
peso y el roce
Movimiento
y reposo
Capítulo 2:
Describiendo movimientos
Capítulo 1:
Acciones e interacciones
Fuerza y sus
características
Tipos de
máquinas
Diseñando
máquinas
En esta unidad aprenderás a:
1. Explicar con tus propias palabras el movimiento de los cuerpos en la vida cotidiana, así como los
que desarrollas al caminar y saltar, aplicando de manera correcta la idea de fuerza.
2. Describir y explicar los movimientos que realizan los cuerpos al caer libremente o al ser lanzados,
empleando tus propias palabras, así como gráficos y esquemas.
3. Diseñar y construir máquinas y mecanismos que amplifican y transforman la fuerza como una
forma de facilitar algunas actividades humanas.
4. Explicar algunos movimientos y actividades humanas, aplicando tus conocimientos respecto del
funcionamiento de las máquinas.
5. Realizar actividades de indagación científica, empleando los métodos usados por los científicos.
6. Desarrollar proyectos y actividades experimentales, trabajando cooperativamente con tus
compañeros y compañeras.
7. Trabajar de manera organizada y rigurosa, demostrando tu aprecio y respeto por la naturaleza y la
actividad científica.
8. Asumir actitudes de respecto, compromiso, solidaridad, honestidad y colaboración, propias del
trabajo científico.
13
CAPÍTULO 1
Acciones e interacciones
1.1 Fuerzas en nuestra vida cotidiana
Para saber...
La ciencia que se encarga de
manera más específica de
estudiar las fuerzas, así como
sus influencias en el movimiento
de los cuerpos, es la física,
también conocida como “ciencia
de los cuerpos”.
Si quieres enviar una pelota de básquetbol hacia el aro, ¿qué tienes
que hacer con ella? Supón que estás jugando con un carrito de
juguete sobre la mesa y se mueve en línea recta hacia el borde de
ésta, ¿qué tienes que hacer para desviar el carrito? Las dos
situaciones descritas anteriormente tienen algo en común; este algo
es la acción que tienes que aplicar en ambos casos para producir
movimiento en el caso de la pelota o modificarlo, como ocurre con el
carrito. Por otra parte, estas acciones son similares a las que tienes
que realizar para moldear un cuerpo de plasticina o arcilla. A estas
acciones, que pueden producir cambios en la forma o en el
movimiento de los cuerpos, les llamamos fuerzas.
¿Qué tienen en común?
Una característica fundamental en relación a las fuerzas es que
siempre hay dos o más cuerpos. Un cuerpo ejerce la fuerza y otro
recibe la acción de dicha fuerza. Por ejemplo, en la primera situación,
el pie ejerce la fuerza, mientras que la pelota recibe dicha acción. Por
supuesto, en este caso el efecto de la fuerza es el movimiento con que
queda la pelota. Las fuerzas las representaremos mediante una flecha
que dibujamos a partir del cuerpo que recibe la acción de ellas,
manteniendo con la flecha la dirección en que éstas actúan.
14
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Actividad
Fuerzas en nuestra vida cotidiana
1. Dibuja en tu cuaderno cuatro situaciones en las que se
aplique una fuerza, representando mediante una flecha la fuerza
correspondiente.
2. Todos podemos observar que al empujar una de las paredes de la sala
de clases, esta permanece en reposo y aparentemente no hay ningún
efecto, pese a que estamos ejerciendo fuerza. ¿A qué se debe esto?
3. Supón que te paras sobre una patineta (skateboard) frente a la pared.
Si en estas condiciones empujas lentamente la pared, ¿qué puedes
predecir que ocurrirá?
4. Consigue una patineta y comprueba tu predicción realizando el
experimento. ¿Qué es lo que ocurre efectivamente?
5. ¿Cómo explicas lo ocurrido? ¿Quién ejerce fuerza?
6. ¿En qué situaciones de la vida cotidiana se observa este fenómeno?
7. ¿Qué aplicaciones tiene el fenómeno observado en esta actividad?
Una mirada a la Historia
El concepto fuerza y su relación con el movimiento ha experimentado diversos
cambios a lo largo de la historia. En el siglo IV a.C., el sabio Aristóteles pensaba que
los cuerpos se mueven porque tiene una “tendencia natural” a ciertas posiciones. Por
ejemplo, una piedra en el aire cae hacia la Tierra porque ambos cuerpos tienen naturaleza
parecida. Del mismo modo, el humo o la llama de una hoguera tienden a subir hacia el cielo
porque tienen similares naturalezas.
CAPÍTULO 1
15
¿Acciones o interacciones?
Para saber...
Esta particularidad de las
fuerzas, de ser acciones
recíprocas entre los cuerpos, es
uno de los principios
fundamentales de la física y
constituye la base para muchas
aplicaciones tecnológicas, como
los aviones a reacción o el
funcionamiento del helicóptero,
entre otras.
Tal como lo habrás observado en la actividad anterior, cada vez que
ejercemos fuerza sobre un cuerpo, dicho cuerpo ejerce sobre nosotros
otra fuerza. A veces esta situación nos resulta difícil de observar
porque no vemos los efectos. Por ejemplo, cuando pateamos la
pelota, el balón también ejerce una fuerza sobre nosotros, sin
embargo, debido a nuestra mayor masa, los efectos de la fuerza
ejercida por la pelota sobre nosotros resultan imperceptibles. Lo
mismo ocurre cuando moldeamos la plasticina. Al ejercer fuerza
sobre ella, esta también ejerce fuerza sobre nosotros, pero nuestro
cuerpo no es tan fácil de deformar como la plasticina.
Ampliaremos entonces nuestra noción de fuerza, y diremos que es
una acción mutua entre dos o más cuerpos, que puede producir
cambios en la forma o en el movimiento de los cuerpos.
Esto entonces nos permite hablar de interacciones más que de acciones.
Aunque en nuestro entorno inmediato hay múltiples situaciones en
las que podemos observar la noción de interacción, es conveniente
decir que la idea de interacción permitió a Isaac Newton, en el siglo
XVII, formular la tercera ley del movimiento de los cuerpos o tercera
ley de la mecánica: “la ley de acción y reacción”.
Esta ley dice:
“Si un cuerpo ejerce sobre otro cuerpo una fuerza (acción), este último
cuerpo ejercerá sobre el primero otra fuerza de igual magnitud pero de
sentido opuesto (reacción)”.
Aunque la ley de acción y reacción resulta fácil de formular y
memorizar, no siempre es comprendida de manera apropiada, ya
que hay que considerar algunas cosas esenciales para ello:
• Las fuerzas de acción y la de reacción son simultáneas, es decir,
actúan al mismo tiempo. El que una de ellas se llame acción y la
otra reacción, es sólo una cuestión de denominaciones.
• Las fuerzas de acción y reacción son de igual magnitud, pero como
actúan sobre cuerpos distintos, producen efectos diferentes. A esto
se debe entonces que cuando pateamos la pelota, ésta se mueva y
nosotros no, pese a que la fuerza sea de igual magnitud para
ambos.
16
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
1.2 Características de las fuerzas
Para explicar los fenómenos de la naturaleza, los hombres y mujeres
de ciencia han definido ciertas magnitudes, como el volumen, la
masa o la misma fuerza. Cada una de ellas tiene características bien
definidas, que permiten identificarlas y distinguirlas de las demás.
En el caso de las fuerzas, es conveniente prestar atención a lo
siguiente:
¿Quién tiene más fuerza, un ratón o un elefante? Quizás te
sorprenderá saber que en estricto rigor el elefante no tiene más
fuerza que el ratón. De hecho… ¡Ninguno de ellos tiene fuerza!
Parece difícil de creer, sin embargo es así. Recuerda que la fuerza es
una interacción, o sea, una acción mutua entre dos cuerpos. Pues
bien, las acciones no se guardan, solamente existen mientras se
ejecutan. Pero… ¿cuál es la diferencia entre el ratón y el elefante? Es
muy simple, el elefante tiene más capacidad para ejercer fuerza, más
capacidad muscular, o simplemente más energía, pero no tiene
fuerza. La fuerza no es propiedad de los cuerpos.
Si consideramos que las fuerzas solamente existen mientras se
ejercen o aplican, podemos afirmar, sin temor a equivocarnos, que no
se pueden guardar. Del mismo modo, tampoco se “gastan” o se
“hacen”.
También hay que recordar que las fuerzas son acciones mutuas; por
lo tanto, para que aparezcan es necesario que existan dos o más
cuerpos, de modo que también se dan en número par.
Para saber...
Es común que en ciencias se
hable de magnitudes para
describir un fenómeno o
situación. En general, se llama
con este nombre a aquellos
elementos de un fenómeno que
se pueden medir. Por ejemplo, la
rapidez, el volumen, la masa, etc.
Las magnitudes que no tienen
asociada una dirección y que,
por lo tanto, sólo basta con una
cantidad y unidad de medida
para describirlas, se llaman
escalares. Por ejemplo: el
volumen (10 litros); la masa
(2 kg); el tiempo (10 minutos), etc.
En la siguiente “sopa de letras”
encuentra 5 magnitudes que se
encuentran escondidas.
V
M
A
L
L
A
R
Z
E
O
T
R
A
P
I
E
L
V
L
F
S
E
N
D
O
I
L
U
A
S
Z
I
C
T
I
E
M
P
O
P
I
A
B
Z
K
E
T
A
A
R
E
A
G
A
N
R
Comprueba tus respuestas en la
siguiente página.
Una mirada a la Historia
Para Aristóteles existían movimientos “naturales”, como la piedra que cae al suelo; y
movimientos “violentos”. Estos últimos son aquellos producidos por seres vivos,
como el de una flecha lanzada con arco. Según su concepto de fuerza, en los movimientos
violentos siempre tenía que haber una fuerza actuando sobre el cuerpo. En el caso de la flecha,
la fuerza inicial la producía el arquero, pero luego creía que lo que mantenía la flecha en
movimiento era la fuerza del aire que la empujaba constantemente desde atrás.
CAPÍTULO 1
17
Para saber...
El instrumento que mide la
intensidad de las fuerzas es el
dinamómetro.
Este aparato permite conocer la
intensidad de una fuerza a
través de la deformación que se
produce sobre un cuerpo
elástico, como un resorte o una
banda de goma (“liga” o
“elástico para billetes).
Aparte de las características mencionadas anteriormente, hay algo
que distingue a las fuerzas y que solamente se da en algunas
magnitudes. Esta distinción es su naturaleza direccional. ¿Qué
significa esto? Para responder a esta pregunta, supón la siguiente
situación:
La profesora comenta en la clase que desea cambiar de lugar su
escritorio en la sala. Para ello, le pide a uno de tus compañeros que
empuje el escritorio. Tu compañero accede a la petición de la
profesora y aplica la fuerza sobre el escritorio. ¿Podemos asegurar
que la profesora quedará conforme con esto? Pues, a decir verdad,
no es posible asegurar algo, porque la profesora no indicó hacia
dónde quería cambiar de lugar el escritorio. Del mismo modo,
tampoco le indicó a tu compañero hacia dónde debía empujar.
¿Podrías empujar la
mesa para moverla?
La mesa está muy lejos
¡Por supuesto
señorita Mireya!
¡¡Misión cumplida profesora!!
He empujado y movido su
mesa. ¿Está bien así? ¡Corrí la
mesa!
Las magnitudes ocultas en la
sopa de letras son: Volumen,
tiempo, masa, área y rapidez.
V
M
A
L
L
A
R
Z
18
E
O
T
R
A
P
I
E
L
V
L
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S
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D
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L
U
A
S
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I
C
T
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E
M
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O
P
I
A
B
Z
K
E
T
A
A
R
E
A
G
A
N
R
Creo que no fui precisa
con las instrucciones
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Gracias, pero quería
que la acercaras, no
que la alejaras.
Que la fuerza sea una magnitud direccional quiere decir que al
aplicar una fuerza, sus efectos no sólo dependen de su intensidad,
sino que además de la dirección en que se ejerza dicha acción. Por
ejemplo, en el caso del escritorio de la profesora, nuestro compañero
podría haber empujado horizontalmente hacia la derecha o bien
horizontalmente hacia la izquierda. En ambos casos los efectos
habrían sido diferentes. Del mismo modo, la fuerza podría haber
sido ejercida verticalmente (hacia arriba o hacia abajo), con
resultados muy distintos de los deseados por la profesora.
En general, las fuerzas se representan mediante flechas (también
llamadas vectores), que tienen una dirección definida (horizontal,
vertical, oblicua, etc.) y un sentido determinado.
El sentido es hacia arriba
El largo de la flecha indica la intensidad de la fuerza
La dirección es oblicua
Una mirada a la Historia
Para Aristóteles, de acuerdo a lo comentado en las páginas anteriores, la fuerza era
algo que acompañaba a los cuerpos cuando se estaban moviendo. Es decir, la fuerza
era una propiedad del cuerpo, contrariamente a la noción de fuerza como una interacción, tal
como la conocemos hoy.
CAPÍTULO 1
19
Manos a la obra
Sumando fuerzas
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Observar.
· Registrar datos.
· Dibujar.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Materiales:
· Tres elásticos de goma de
igual longitud.
· Una hoja de oficio
cuadriculada.
· Chinches.
· Alfileres.
· Un “peso” provisto de una
argolla.
· Lápiz grafito.
· Goma de borrar.
· Regla.
· Una madera u otra
superficie rígida sobre la
cual podamos fijar el papel
cuadriculado.
En esta actividad necesitas trabajar cooperativamente, es decir, cada
uno de los miembros de tu equipo cumplirá un rol dentro del grupo.
Para saber cuál será tu rol, debes consultarle a tu profesor o profesora.
En esta actividad observarás la naturaleza direccional de las fuerzas y
aprenderás a sumar fuerzas de manera geométrica.
1. Con los materiales, armen un montaje similar al mostrado en la figura:
Chinches
2. Cuelguen el “peso” de manera vertical, empleando el elástico y un alfiler.
3. Ahora, con el lápiz, tracen la flecha que representa la fuerza ejercida a
través del elástico sobre el “peso”. Recuerden que las fuerzas se
dibujan a partir del cuerpo que recibe la acción de la fuerza. (en este
caso, el estiramiento del elástico nos indica la intensidad de la fuerza).
Alfiler
Elástico
Intensidad
de la fuerza
4. Luego respondan:
a. ¿Es posible sostener el “peso” de la figura mediante dos fuerzas que
tengan diferente dirección?
b. ¿Cómo habría que aplicar estas fuerzas? Dibujen la situación en su
cuaderno.
5. Como es de suponer, el cuerpo puede ser sostenido por fuerzas de
diferente dirección. Esta situación puede mostrarse de manera
experimental. Para ello colgaremos el “peso” mediante dos elásticos,
tal como ilustra la figura:
20
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Alfileres
Elásticos
Trazo correspondiente a la
primera fuerza (F1)
6. Al igual que en la situación de una sola fuerza,
tracen las flechas que representan a las fuerzas
ejercidas a través de los elásticos sobre el “peso”.
Si han sido rigurosos, el papel cuadriculado
tendría que quedar con trazos similares a los
mostrados en la siguiente figura:
Fuerza F1
Fuerza F2
Fuerza F3
En esta actividad es muy importante que los elásticos estén tensos y
rectos, por lo que hay que ajustar el sistema si es necesario, evitando
que éstos se curven.
7. Si consideramos que la longitud del elástico indica la intensidad de la
fuerza, entonces, ¿el largo de la fuerza F2 sumado a la longitud de F3,
es igual a F1?
a. Verifiquen sus respuestas experimentalmente:
F3 =
F2 =
F2 + F3 =
F1 =
b. ¿Qué pueden concluir?
c. Si consideramos las tres fuerzas dibujadas como tres trazos
diferentes, ¿qué figura geométrica podemos construir con ellos?
8. Trasladen las fuerzas a una hoja cuadriculada en blanco, procurando
mantener en cada caso la dirección y longitud (pueden calcarlas),
siguiendo los siguientes pasos:
Dibujen en primer lugar la fuerza F2. F2
F3
A continuación, dibujen a partir de la punta de F2, la fuerza F3.
F2
Finalmente, trazen la fuerza F1, de acuerdo con la manera como se
muestra en la figura adjunta.
F3
F1
F2
a. ¿De qué manera es posible relacionar las fuerzas F2 y F3 con la
fuerza F1?
CAPÍTULO 1
21
Para no olvidar
Lo que acabamos de hacer con F2 y F3 es una suma geométrica o suma vectorial de
fuerzas. En general, a diferencia de las magnitudes escalares, que se suman
directamente, las magnitudes o cantidades direccionales deben sumarse de acuerdo
con este método.
Al resultado de la suma geométrica de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo le
llamamos fuerza neta, y corresponde a una fuerza que reemplaza a todas las demás y su
efecto es equivalente a la suma de todos los efectos producidos por las demás fuerzas.
Ejemplo:
F1
Fuerza neta
FN
F2
Una mirada a la Historia
Galileo demostró experimentalmente que el estado natural de los cuerpos no es
necesariamente el reposo, como planteaba Aristóteles. De acuerdo con la física de Galileo,
si un cuerpo está en reposo o se mueve con cierta rapidez, se mantendrá en dicho estado de manera
permanente, a menos que una acción externa (fuerza) lo obligue a cambiar su situación. Este
fenómeno, que hoy conocemos como inercia, fue descrito en 1638 en su libro “Diálogos relacionados
con dos nuevas ciencias”.
Científicos con actitud
Junto con tus compañeros y compañeras, reúne
información acerca del contexto histórico, religioso y
cultural en el que Galileo dio a conocer sus ideas acerca del
movimiento y la fuerza. Investiguen cuáles fueron las
consecuencias personales que le acarrearon sus investigaciones.
Discute con tu grupo y responde:
· ¿Cuáles son las virtudes más sobresalientes de Galileo?
· ¿Por qué crees que no fue apoyado por los demás hombres de
ciencia de su época?
· ¿Alguna vez te has sentido como Galileo?
· ¿Cuál crees que debe ser tu actitud frente a situaciones como ésta?
22
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
1.3 El peso y las fuerzas de roce
Fuerza peso
Para saber...
Antes de seguir leyendo, anota en tu cuaderno la respuesta a la
El peso tiene su origen en la
fuerza gravitatoria, la que, al
igual que las fuerzas eléctricas
y magnéticas, actúa a distancia,
es decir, sin que sea necesario
el contacto entre los cuerpos.
La fuerza gravitatoria es una
atracción que experimentan
todos los cuerpos por el solo
hecho de tener masa. Sin
embargo, esta fuerza es
relativamente débil y sólo se
observa cuando los cuerpos que
interactúan (o al menos uno de
ellos) son de considerable masa
(como un planeta o un satélite).
Las fuerzas gravitacionales son
las que gobiernan el
movimiento de los astros y los
planetas en el Sistema Solar.
siguiente pregunta: ¿cuál es tu peso? (si no conoces la respuesta, da
un respuesta aproximada, o consultando el peso de algún
compañero o compañera que tenga un cuerpo similar al tuyo).
Si la pregunta anterior la formulamos a un hombre o mujer de
ciencias, es muy probable que su respuesta nos sorprenda y no se
parezca en nada a la nuestra. Esto es así, porque la respuesta a la
pregunta depende de lo que entendamos por peso.
Hay dos conceptos que están relacionados, pero que no son lo
mismo: la masa y el peso.
Masa
Peso
La masa es una propiedad de los
cuerpos que corresponde a la
cantidad de materia que estos
poseen. Su valor se mantiene
constante (a no ser que el cuerpo
cambie) y se mide en kilogramos (kg).
El peso, por su parte, no es una
propiedad de los cuerpos, sino que es
una acción, es la fuerza con que la
Tierra atrae a los cuerpos hacia su
centro:
Masa: 56 kilogramos
Estas dos magnitudes suelen confundirse porque, efectivamente,
mientras mayor la masa de un cuerpo, mayor es la fuerza con que la
Tierra lo atrae. Es decir, un cuerpo experimenta peso debido a su masa.
Gran masa
Gran peso
Masa
pequeña
Peso pequeño
CAPÍTULO 1
23
Ya que queremos hacer la distinción definitiva entre masa y peso, es
conveniente señalar que el peso, al igual que todas las fuerzas, se
mide en una unidad denominada newton, cuya abreviatura es N.
Un newton es la cantidad de fuerza equivalente al peso que
experimenta en la Tierra un cuerpo de aproximadamente 100
gramos. Un pan corriente (marraqueta) tiene una masa muy cercana
a los 100 gramos.
Para saber...
Existe una manera de determinar
rápidamente el peso aproximado
para un cuerpo en la Tierra.
Este procedimiento consiste en
multiplicar la masa de un
cuerpo (expresada en
kilogramos) por 10 y expresar
el resultado en newton.
Ejemplo:
Un cuerpo de 70 kg
experimenta en la Tierra una
fuerza peso de:
P = 70·10 = 700 N.
¿Con qué fuerza te atrae la
Tierra hacia su centro?
Cuando veamos la palabra newton, pero escrita con mayúscula
(Newton), es porque no estamos hablando de la unidad de fuerza,
sino que del científico Isaac Newton.
El peso es un fenómeno local, es decir, depende del lugar en el que
nos encontremos. En otros planetas, la atracción que experimentan
los cuerpos no es igual que en la Tierra. En Júpiter, por ejemplo, es
mucho más intensa. Sin embargo, en la Luna el peso disminuye
considerablemente. Del mismo modo, esta atracción disminuye al
alejarnos del planeta.
A diferencia del peso, la masa de un cuerpo se mantiene invariable
en cualquier punto del Universo. Por ejemplo, si un astronauta que
tiene una masa de 65 kg en la Tierra se encuentra en un
transbordador espacial orbitando nuestro planeta, puede mantenerse
flotando prácticamente sin sentir la acción del peso (atracción
ejercida por la Tierra), sin embargo, su masa sigue siendo de 65 kg,
ya que es la cantidad de materia que posee.
Una mirada a la Historia
Para Aristóteles, la rapidez con que caía un cuerpo era directamente proporcional a
su masa (él solamente hablaba de peso). De acuerdo con esto, al soltar
simultáneamente dos cuerpos de diferente masa desde la misma altura, el más “pesado”,
llegaba primero al suelo. Esto fue desmentido durante el Renacimiento por Galileo.
24
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Manos a la obra
Fuerzas que afectan el
movimiento de los cuerpos
Trabajando con el peso
Si sabemos que 100 gramos experimentan un peso de 1 N, ¿cuál es el
peso correspondiente a un kilogramo (1.000 gramos)?
Considerando lo que hemos aprendido en estas páginas, ¿cómo
responderían ahora a la pregunta sobre el valor de “su peso”?
En un cuento de ciencia ficción, el protagonista debe viajar a un planeta
en donde el peso para un cuerpo es la cuarta parte del peso en la Tierra.
¿Cuál sería el valor de su masa en dicho lugar? ¿Qué peso
experimentaría?
Supongan que un día, al levantarse, se dan cuenta de que, a diferencia
de los demás terrícolas, dejan de experimentar la atracción gravitatoria
(peso). ¿Qué ventajas y desventajas les traería esto al realizar sus
actividades cotidianas?
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Calcular.
· Observar.
· Registrar datos.
· Dibujar.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Las fuerzas de roce mecánico
En esta actividad observarán cómo el tipo de superficie sobre el cual se
arrastra un cuerpo afecta a su movimiento.
Cara
5 cm
15 cm
10 cm
1. Usando el pegamento, cubran una de las caras del bloque con papel
de lija. Sigan las instrucciones de uso del pegamento de modo que el
papel quede muy bien adherido. Con el género suave, hagan lo
mismo en la cara opuesta.
Tal como muestra la figura, empleando un chinche aten un elástico al
bloque:
Materiales:
· Un trozo de madera de unos
15 cm de largo, 10 cm de
ancho y 5 cm de alto,
(pueden reemplazar la
madera por una caja de té o
remedios, la que deben
sellar muy bien y agregarle
un poco de arena para
aumentar su masa).
· Elásticos para billetes.
· Un trozo de papel de lija.
· Un trozo de género muy
suave (como terciopelo).
· Chinches.
· Pegamento.
Papel de lija
5 cm
Tela suave
(por debajo)
Elástico
CAPÍTULO 1
25
2. Hagan que el bloque descanse sobre el suelo apoyado en la cara
cubierta con género suave. Tiren suavemente del elástico para
moverlo, observando el estiramiento experimentado por el elástico.
3. Si repetimos el experimento pero ahora deslizando el bloque sobre la
cara cubierta con papel de lija, ¿el estiramiento del elástico será
mayor o menor? Anoten sus predicciones.
Verifiquen experimentalmente sus predicciones.
a. ¿Qué ocurre con el estiramiento del elástico?
b. ¿En cuál de los casos se aplicó mayor fuerza sobre el cuerpo para
moverlo?
c. Cuando tiramos del elástico para que el bloque se deslice, ¿qué
fuerzas actúan sobre el bloque? Dibújenlas.
Para saber...
En 1710, el científico británico
Francis Hauksbee construyó una
de las primeras máquinas
eléctricas. Básicamente,
consistía en un disco de vidrio
que se hacía girar mientras era
presionado con almohadillas de
tela y piel. Debido al rozamiento,
las almohadillas “robaban”
electrones al vidrio, el que
quedaba electrizado. Este
fenómeno suele ocurrir también
con los automóviles, que debido
al roce con el aire se electrizan y
suelen descargarse cuando los
tocamos mediante una sonora
chispa, que por lo general nos
hace sentir un fuerte dolor.
26
d. ¿Cómo se llama la fuerza ejercida sobre el cuerpo por el piso?
e. ¿Tiene siempre el mismo valor?
f. ¿De qué depende dicha fuerza? ¿Cómo podríamos modificarla?
g. Describan situaciones cotidianas en las que se observe la acción de
esta fuerza.
h. ¿Cómo se sintieron al realizar esta actividad?
Las fuerzas de roce son fuerzas que afectan al movimiento de un
cuerpo; sin embargo, su efecto no siempre es negativo. De hecho, tal
como discutiremos más adelante, podemos caminar y realizar ciertas
actividades gracias a la existencia de fuerzas de roce.
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Roce mecánico
Para saber...
Cuando tratamos de deslizar un cuerpo sobre otro o sobre una
superficie (como en la actividad anterior), aparece una fuerza que se
opone al deslizamiento. Esta fuerza se denomina roce mecánico. Estas
fuerzas son provocadas por las irregularidades (en algunos casos
microscópicas) de las superficies que están en contacto.
Como se puede verificar
experimentalmente, el roce
viscoso es una fuerza que
depende de la rapidez con que
un cuerpo se mueva en un fluido.
Por tal razón, un paracaidista que
se lanza desde un avión no lo
hace con su paracaídas abierto,
sino que cae “libremente”
durante cierto tiempo para
adquirir rapidez y posteriormente
abrir su paracaídas. En 1960, J.
Kittinger, oficial de las FF. AA de
Estados Unidos, saltó con un traje
especial desde 31.333 metros de
altura. Debido a que a esa altura
las partículas de aire están muy
separadas y por lo tanto hay muy
poco roce viscoso, tardó poco
más de 3 minutos y medio en
alcanzar la extraordinaria rapidez
de 1.000 km/h antes de abrir su
paracaídas.
Rugosidad de las
superficies de contacto
El roce mecánico normalmente hace que los cuerpos pierdan energía
a través del calor generado en la fricción entre las superficies.
De hecho, la sensación de calor que sientes cuando te frotas las
manos se debe al rozamiento. Del mismo modo, cuando frotamos un
fósforo con la cara áspera (lija) de la caja, se produce el calor
necesario para la combustión. El roce mecánico puede ser
disminuido puliendo o lubricando las superficies en contacto.
Calor disipado
Huellas dejadas por las ruedas de un
auto en el pavimento.
Una mirada a la Historia
El estudio experimental del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci (1452 -1519),
quien logró identificar los factores que determinan el roce sobre un bloque rectangular
que se desliza sobre una superficie plana. Sin embargo, este estudio pasó inadvertido.
CAPÍTULO 1
27
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Observar.
· Registrar datos.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Actividad
El aire también ejerce fuerza
En muchas ocasiones el movimiento de un cuerpo es
alterado por la acción de cierto tipo de roce. Sin embargo, en nuestra
vida cotidiana suele pasar inadvertido. Esta fuerza se denomina roce
viscoso y aparece cuando movemos un cuerpo en un fluido (líquido o
gas). En la siguiente actividad experimentaremos con esta fuerza,
empleando una pequeña pelota y una hoja de papel.
1. Si tomas los dos cuerpos, uno en cada mano, los levantas hasta la
misma altura y los sueltas al mismo tiempo, ¿cuál de ellos llegará al
suelo primero? Anota tu predicción:
a. Verifica tu predicción realizando la actividad. ¿Qué ocurre?
b. ¿Cuál es la razón de que los cuerpos lleguen al suelo de esta
forma?
2. Verificaremos ahora nuestra predicción. Para esto, toma el papel y
comprímelo con la mano, formando una pequeña pelota con él. Si
repites el experimento con la bola de papel y la pelota, ¿cuál de ellas
llegará primero al suelo? Anota tu predicción:
a. Verifica tu predicción realizando la actividad. ¿Qué ocurre?
b. ¿Cuál es tu conclusión?
Cuando un cuerpo se mueve en un medio gaseoso (como el aire) o
líquido, experimenta una fuerza que se opone a su desplazamiento.
Esta fuerza se denomina roce viscoso, y es más común de lo que
piensas, ya que cada vez que te mueves, el aire que te rodea se
opone a tu movimiento. Sin embargo, no lo percibimos porque esta
fuerza depende de dos elementos: de la rapidez con que el cuerpo se
mueva y, tal como lo observamos en la experiencia anterior, también
de la forma del cuerpo.
Cae
28
Fuerza de
roce del aire
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Movimiento
Fuerza de roce
Para no olvidar
Al iniciar este tema, te pedimos que respondieras a la pregunta ¿cuál es tu peso?
Nos imaginamos que ahora tu respuesta es muy diferente a la que anotaste
inicialmente en tu cuaderno. En efecto, el peso es una fuerza ejercida por la Tierra
sobre los cuerpos, pero no es sinónimo de masa.
Aparte del peso, existen otras fuerzas con las que nos encontramos cotidianamente, como las
fuerzas de roce. Tal como hemos comprobado en las actividades anteriores, las fuerzas de
roce mecánico se oponen al deslizamiento entre dos cuerpos en contacto, y dependen
fundamentalmente de la rugosidad de las superficies de dichos cuerpos.
Las fuerzas de roce viscoso, por su parte, aparecen cuando un cuerpo se mueve en el interior
de un fluido, como el agua o el aire, y depende de la forma del cuerpo y la rapidez con que se
mueva.
1.4 Las fuerzas y el movimiento humano
¿Te acuerdas de las preguntas que te hacíamos al comenzar esta
unidad? ¿Te imaginas cómo nos moveríamos si en nuestro planeta
no existiera el roce ni el peso? ¿Sería difícil, no es cierto?
Pues bien, pese a que generalmente se habla del roce como una
fuerza que se opone al movimiento, debemos decir que, en realidad,
más que oponerse al movimiento, se opone al deslizamiento entre
dos superficies en contacto. De hecho, nosotros podemos caminar
gracias a la existencia de las fuerzas de roce mecánico.
Mediante el roce, el pie
ejerce una fuerza sobre
el piso, empujándolo
hacia atrás.
Como las fuerzas son
acciones mutuas
(interacciones), el piso
ejerce una fuerza sobre la
persona, haciendo que se
mueva hacia adelante.
Es importante recordar siempre que las fuerzas no aparecen de
manera aislada, sino que aparecen en parejas, es decir, cada vez que
un cuerpo ejerce una acción, recibirá sobre él otra acción (reacción)
proveniente del cuerpo sobre el cual está actuando.
CAPÍTULO 1
29
En efecto, tal como indica este sencillo pero importante principio de
la física, los seres humanos no podemos ponernos en movimiento sin
la intervención de otros cuerpos. Es decir, aunque podamos ejercer
fuerza y tengamos la voluntad de movernos, esto no será posible si
no existen otros cuerpos con los cuales interactuar.
Veamos el caso de una persona que desea saltar verticalmente hacia
arriba. Para realizar este movimiento, la persona debe impulsar al
suelo hacia abajo, de tal forma que el suelo la impulse hacia arriba.
En este último ejemplo, ¿cuál es la fuerza que debemos vencer para
saltar? Esta fuerza, que hemos llamado peso, es la fuerza que nos
mantiene “pegados” sobre la superficie de la Tierra. Su influencia en
nuestro movimiento es evidente, ya que casi sin importar el salto que
realicemos con nuestras piernas, o el paso que demos al trotar o
caminar, siempre volvemos a quedar en contacto con nuestro
planeta. Debido a esta fuerza también, nuestros movimientos se
hacen torpes y nuestro desplazamiento muy lento cuando llevamos
sobre nosotros una pesada carga.
Si no existiese peso… ¿nuestros movimientos serían menos torpes?
Antes de responder a esta interrogante, imagina que flotas en el aire
y no tienes contacto con el piso. En estas condiciones, ¿podrías
ejercer alguna fuerza de roce sobre el piso?, ¿puede el piso ejercer
roce sobre la planta de tus pies?
El roce es una fuerza que requiere el contacto entre dos superficies y
que además depende de la fuerza ejercida entre ellas. En el caso
específico de un cuerpo que es empujado o arrastrado sobre una
superficie horizontal, el roce está directamente relacionado con el
peso ejercido sobre el cuerpo.
Mayor peso... ¡mayor roce!
30
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Menor peso... ¡menor roce!
Actividad
Periodistas de la ciencia
En esta actividad, trabajarás con tus compañeros y
compañeras en la publicación de una edición extraordinaria de un
diario (una portada y una página de contenidos). En efecto, tendrán que
diseñar y diagramar un extra noticioso, suponiendo que por razones
misteriosas, para todos los cuerpos sobre la superficie de la Tierra,
incluidos los seres vivos, la fuerza peso se reduce a la cuarta parte de su
valor actual (no su masa). Tu equipo de reporteros deberá cubrir
noticias y escribir notas relacionadas con situaciones como: la reacción
de las personas, las medidas que deberán tomar los estadios y
recintos deportivos, las adecuaciones que habría que hacer en el
transporte, las actividades que se verían beneficiadas, los
perjudicados, etcétera.
Científicos con actitud
Tal como hemos aprendido, el peso y el roce son fuerzas
que de una u otra forma afectan el movimiento de los seres
humanos. Es muy probable que en alguna ocasión, por
juego o ayudando a alguien, hayas tenido que soportar alguna carga
pesada. Sin embargo, en el mundo hay muchos niños y niñas que
deben hacerlo a diario, porque, pese a su corta edad, son obligados a
trabajar.
1. Investiga junto a tus compañeros y compañeras cuál es la situación
del trabajo infantil en nuestro país:
a. ¿Cuántos niños son obligados a trabajar?
b. ¿Cuántos lo hacen en condiciones de riesgo para su salud debido a
esfuerzos físicos?
2. Junto a tus compañeros y compañeras, redacta una carta dirigida al
diputado que corresponda a tu distrito electoral y pregúntenle qué
puede hacer él para erradicar el trabajo infantil.
Para saber...
El periodismo y la ciencia ficción,
han sido un valioso aporte al
desarrollo de las ciencias y servido
para que personas comunes
tengan una aproximación general
a la ciencia. Varios científicos han
dedicado parte de su trabajo a la
divulgación de estas ideas a
través de un lenguaje simple pero
preciso. Uno de ellos es Carl
Sagan. Del mismo modo,
escritores como Julio Verne, se
adelantaron a su época y
describieron en sus obras,
artefactos tecnológicos que
resultaban imposibles en su
tiempo, pero que hoy día se
utilizan a diario. Una de las obras
más conocidas de Julio Verne es
“20.000 leguas de viaje
submarino”, en la cual se relata
las aventuras del Capitan Nemo y
su submarino atómico “Nautilus”.”
Para no olvidar
El movimiento humano, en general, está condicionado por el peso y las fuerzas de
roce. En la Tierra, cada vez que saltamos o corremos debemos ejercer fuerzas para
“despegarnos” de la superficie del planeta, ya que la fuerza de atracción llamada
peso nos mantiene sobre el piso. Por otra parte, las fuerzas de roce mecánico, precisamente
por oponerse al deslizamiento, son las que nos permiten desplazarnos sin resbalar sobre el
piso.
CAPÍTULO 1
31
Revisando tus conocimientos
1. En las situaciones mostradas en las figuras, la flecha roja indica la dirección en que se mueve
el cuerpo. Dibuja la flecha (vector) correspondiente a la fuerza peso y a la fuerza de roce que
actúa sobre el cuerpo en cada caso.
2. Un hombre quiere atravesar un río que tiene cierta corriente. Al impulsar su bote directamente
desde el punto A hacia el punto B, la embarcación se desvía llegando al punto C.
C
B
A
Dirección de la corriente
¿Por qué se modifica la dirección del bote? ¿Hacia dónde tendría que dirigir la embarcación
para que llegar directamente al punto B? Haz un esquema.
3. Explica con tus propias palabras, por qué las siguientes expresiones son erróneas:
a. En un resorte comprimido es posible acumular fuerza.
b. Un astronauta en la Luna tiene menos masa que en la Tierra.
c. Para saltar debemos impulsarnos “hacia arriba” aplicando fuerza sobre nosotros mismos.
d. Si eliminamos por completo el roce con el suelo, podemos desplazarnos con mayor
facilidad.
4. Revisa tus respuestas con tu compañero o compañera.
32
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
CAPÍTULO 2
Describiendo movimientos
2.1 Movimiento y reposo
Desde las microscópicas vibraciones de las partículas (moléculas) de
agua o las pequeñísimas partículas de polvo que vuelan en el aire,
hasta el pesado movimiento de los planetas y estrellas que vemos en
la noche, todo lo que nos rodea está de una u otra forma en
movimiento. De hecho, existe una rama de las ciencias, denominada
mecánica, que se encarga especialmente de estudiar este fenómeno.
Normalmente decimos que un objeto está en movimiento cuando
cambia de lugar o posición, es decir, cuando se desplaza. Sin
embargo, a veces esta simple definición puede parecer ambigua. Por
ejemplo, observa por unos instantes el escritorio de la profesora...
¿está cambiando de posición? ¿Está en reposo o en movimiento?
La respuesta a la pregunta anterior tiene más de una respuesta,
dependiendo de quién sea el que responde. Por ejemplo, para
nosotros la mesa permanece en reposo porque no cambia de posición,
la vemos siempre en el mismo lugar. Sin embargo, un astronauta
ubicado en una nave espacial lejos de la Tierra observaría que
nuestro planeta gira sobre su propio eje y además se traslada
alrededor del Sol. Es decir, la Tierra se mueve y en su movimiento
arrastra consigo a la mesa y... ¡A todos los cuerpos sobre su
superficie! Por lo tanto para nuestro astronauta la mesa está en
movimiento.
Para saber...
No es posible describir un
movimiento sin tener un
sistema de referencia. Este
puede ser un punto fijo, un
cuerpo (que consideramos
inmóvil) o un sistema de
coordenadas, mediante el cual
fijamos la posición de un
cuerpo y describimos los
cambios que experimenta dicha
posición.
La división que se hace del
globo terráqueo en paralelos y
meridianos constituye un
sistema de referencia basado
en estas coordenadas.
En el caso anterior, ¿quién tiene la razón? Si miramos la mesa,
observamos que no cambia de lugar respecto de la Tierra. Para el
astronauta, la mesa se mueve respecto de su nave. En realidad, tanto
el astronauta como las personas que estamos en la Tierra tenemos
razón. Esto es así porque cuando hablamos de movimientos, tenemos
que considerar que los cuerpos se mueven respecto de algo. Por
ejemplo, la Tierra se mueve respecto del Sol, la Luna se mueve
respecto de la Tierra, un avión se mueve respecto de su torre de
control, etcétera.
Un cuerpo se está moviendo cuando está cambiando de posición
respecto de un sistema de referencia. Está en reposo respecto de un
sistema de referencia cuando su posición no cambia.
CAPÍTULO 2
33
Para saber...
Elementos del movimiento
Los cometas son cuerpos
celestes que se mueven
alrededor del Sol en órbitas
elípticas alargadas, igual que los
planetas. Esto fue demostrado
por Isaac Newton hace más de
tres siglos.
De manera genérica, nuestro sistema de referencia es la Tierra, ya
que de acuerdo con ella describimos los movimientos que ocurren en
nuestro entorno. Sin embargo, para describir el movimiento de un
cuerpo es conveniente identificar ciertos elementos que están
presentes en él. Supongamos, por ejemplo, que queremos dirigirnos
desde una esquina de la plaza hasta el otro extremo, tal como indica
la figura. Supondremos además que existen algunos obstáculos en
medio de la plaza que nos impiden hacerlo en línea recta y tenemos
que seguir un camino diferente:
Cometa
Sol
Trayectoria (forma
del camino)
Según Newton, las trayectorias
de los cometas eran totalmente
predecibles. Estas ideas fueron
utilizadas por Edmond Halley,
quien predijo que un cometa
que había sido visto en los años
1531, 1607 y 1682, volvería en
1758. Al ver que lo que predijo
este científico se cumplió, el
cometa comenzó a ser llamado
cometa Halley.
La última vez que nos visitó fue
en 1996.
desplazamiento
(cambio de posición)
Desde aquí comenzamos a
movernos (posición inicial)
Al camino que tenemos que seguir para ir desde un punto a otro lo
llamaremos trayectoria. De acuerdo con su forma, existen diferentes
trayectorias:
Rectilíneas
Curvilíneas
Una mirada a la Historia
Desde tiempos inmemoriales, el movimiento de los cuerpos ha inquietado a los seres
humanos. Sin embargo, a partir de Galileo se inicia su estudio analítico y sistemático.
Anaximandro, un filósofo jonio nacido el año 610 a.C., pensaba que la naturaleza entera
provenía del movimiento de separación permanente entre elementos opuestos, como fríocalor, luz-sombra, etc.
Para Demócrito, filósofo griego nacido en el año 470 a.C., la materia entera estaba compuesta
por átomos, los que permanecían en movimiento permanente.
34
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Para ir desde un punto a otro existen muchas trayectorias posibles
(en realidad son infinitas), pero evidentemente hay algunas que son
totalmente absurdas y sólo algunas son convenientes. La distancia
recorrida por el cuerpo está determinada por la trayectoria seguida.
Pese a lo anterior, y de manera independiente de la trayectoria o
camino seguido, el cambio de posición es uno solo. Este cambio de
posición se llama desplazamiento y se representa mediante una
flecha recta que va desde la posición inicial hasta la posición final, tal
como se muestra en la figura.
Por lo general, el desplazamiento no coincide con la trayectoria, ni
menos con la distancia recorrida. Tampoco es necesariamente una
flecha real, ya que al trazarla podemos pasar a través de obstáculos,
como ocurre en la figura mostrada.
Es muy común que al describir algún movimiento se haga referencia
a la rapidez del cuerpo, que aunque en este curso no la calcularemos,
es conveniente tener al menos una idea de cómo se interpreta. Por
ejemplo, si nos dicen que un ciclista se mueve con una rapidez de
20 km/h (se lee 20 kilómetros por hora) significa que si mantuviese
el mismo ritmo de su movimiento (o la misma rapidez) durante una
hora, al final de este lapso habría recorrido 20 kilómetros.
Actividad
Clasificando trayectorias
En nuestro entorno existen múltiples movimientos que
podemos observar y clasificar de acuerdo con su trayectoria.
Para saber...
Aparentemente, la rapidez que
puede alcanzar un cuerpo es
ilimitada. De hecho, las industrias
aeronáuticas compiten diseñando
y fabricando aviones que nos
permiten viajar desde un punto a
otro del planeta en poco tiempo.
Sin embargo, ninguna de las
máquinas creadas por el hombre
podrá superar jamás la rapidez de
la luz, que recorre en el aire
aproximadamente 300.000
kilómetros en tan sólo un
segundo. Esta limitación no sólo
se debe a problemas tecnológicos,
sino que a las conclusiones a las
que llegó el científico Albert
Einstein en su famosa Teoría de la
Relatividad publicada en la
primera mitad del siglo XX.
Mediante complejos cálculos
matemáticos que hoy día se han
podido verificar
experimentalmente, concluyó que
físicamente es imposible que
algún cuerpo alcance o supere
dicha rapidez.
1. Observa en tu entorno e investiga y señala tres ejemplos para los
siguientes tipos de trayectoria:
Curvilíneas
Rectilíneas
Para no olvidar
Existe diferencia entre rapidez y velocidad. La rapidez se obtiene a partir del
camino recorrido en el tiempo empleado, siendo una magnitud escalar. En cambio,
la velocidad, es una magnitud vectorial que corresponde al desplazamiento del
cuerpo en el tiempo. Es decir, lleva asociado la dirección y el sentido. Por ejemplo: un cuerpo
puede llevar una rapidez de 50 km/h y para que sea un dato de velocidad se dice: el cuerpo
avanza a 50 km/h en dirección al norte.
CAPÍTULO 2
35
2.2 Caída libre y movimientos verticales
Para saber...
La fuerza que hace que los
cuerpos caigan al suelo es la
misma fuerza que hace que los
planetas se mantengan
orbitando alrededor del Sol. Esta
fuerza que actúa a distancia (no
es necesario que los cuerpos se
toquen), hoy día se conoce
como gravedad. Fue descubierta
por Isaac Newton en 1678. Sin
embargo, los antiguos griegos
creían que los cuerpos caían
porque buscaban sus lugares
naturales, y que esferas de
cristal invisibles eran las que
movían los planetas.
Tal como seguramente observaste en la actividad anterior, estamos
rodeados de cuerpos en movimiento. Sin embargo, hay algunos en
particular que resultan muy interesantes de observar. Especialmente
los movimientos verticales. ¿Te acuerdas de la actividad que
realizamos en la página 28, acerca del roce viscoso y la caída de los
cuerpos? Observaremos nuevamente algunos movimientos de caída,
pero fijando nuestra atención en otros aspectos.
Los movimientos verticales, ya sean lanzamientos o caídas, están
permanentemente afectados por la existencia de una fuerza que ya
hemos estudiado: la fuerza peso. Al igual que todas las fuerzas, el
peso mientras actúa produce un cambio en la rapidez de los cuerpos.
En efecto, es fácil observar que cuando dejamos caer un cuerpo o lo
lanzamos hacia arriba, en ambos casos su rapidez varía
permanentemente.
36
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Manos a la obra
Movimientos verticales
Caída libre
En esta actividad observarán la forma en que la altura desde la cual
cae un cuerpo influye en su movimiento.
1. Moldeen la plasticina con sus dedos y transformen cada barra en
una esfera de iguales dimensiones a las demás. ¿Qué sucedería con
la forma de la esfera si la soltamos desde cierta altura y hacemos
que se estrelle con el suelo?
a. ¿Cómo influye en lo observado la rapidez con que la esfera llega
al suelo?
b. Si soltamos las tres esferas desde la misma altura, ¿cómo serán
las deformaciones que éstas experimenten? Anoten su
predicción.
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Observar.
· Registrar datos.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Materiales:
· Tres barras de igual
cantidad de plasticina de
diferente color (azul, roja y
amarilla).
c. Verifiquen su predicción realizando el experimento. ¿Cuál es su
conclusión?
2. Si repitiéramos el experimento, pero esta vez dejando caer las tres
esferas de diferentes alturas, ¿cómo serán las deformaciones que
éstas experimenten? Anoten su predicción.
3. Verifiquen su predicción realizando el experimento. Para ello, dejen
caer la esfera azul desde una altura aproximadamente igual a la de
su pupitre, la roja desde una altura equivalente a su estatura y para
dejar caer la esfera amarilla pidan a uno de sus compañeros o
compañeras que se suba (con ayuda y supervisión del profesor o
profesora) a un pupitre. ¿Qué observan?
CAPÍTULO 2
37
a. ¿Cuál es su conclusión?
b. ¿Cómo influye la altura desde la cual cae un cuerpo en la rapidez
con que llega al suelo?
c. ¿Existe alguna manera de evitar el aumento de la rapidez del
cuerpo al soltarlo desde cierta altura? ¿Cuál?
d. ¿Qué ocurre cuando lanzamos cuerpos hacia abajo o hacia arriba
de manera vertical?
Lanzando hacia abajo
Observaremos ahora cómo es afectado el movimiento del cuerpo al
ser impulsado hacia abajo desde cierta altura.
Materiales:
· Dos bolas de plasticina de
igual cantidad y de diferente
color.
1. Si ambas esferas se levantan hasta la misma altura, pero solamente
la azul se deja caer y la roja es impulsada (empujada) hacia abajo
con la mano, ¿cómo serán sus deformaciones después de chocar
con el piso? Registren su predicción:
a. Verifiquen su predicción realizando el experimento. ¿Cuál es su
conclusión?
b. Si no existiese la fuerza peso, ¿qué ocurriría con la rapidez de la
esfera roja?
Lanzando hacia arriba
1. Tanto en la caída libre como en el lanzamiento hacia abajo, la fuerza
peso actúa aumentando la rapidez de los cuerpos.
a. ¿De qué manera actúa la fuerza peso en un lanzamiento vertical
hacia arriba?
38
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
2.3 Cambios en el movimiento
En las actividades anteriores hemos observado cómo una fuerza (en
este caso el peso) al actuar sobre un cuerpo puede producir cambios
en su rapidez, haciendo que se mueva más rápido o más lento. Sin
embargo, las fuerzas no solamente afectan un movimiento
modificando su rapidez, sino que también pueden alterar su
trayectoria.
Supón que lanzas un pequeño carrito de juguete sobre una superficie
horizontal muy pulida, de tal forma que el roce es prácticamente
imperceptible... ¿Varía mucho la rapidez del cuerpo? ¿Cómo es su
trayectoria? Si haces este sencillo experimento, es muy probable que
observes que la rapidez del cuerpo se mantiene prácticamente sin
cambios durante un buen tiempo del mismo modo, si el carrito está
bien equilibrado y sus ruedas en buenas condiciones, mantendrá una
trayectoria aproximadamente rectilínea.
Para saber...
La aceleración se define como
el cambio de velocidad que
experimenta un cuerpo,
respecto del tiempo. Es decir,
cuando un cuerpo comienza a
aumentar su velocidad, decimos
que está acelerando. Esto
ocurre, por ejemplo, cuando
dejamos caer libremente un
cuerpo desde cierta altura.
En estricto rigor, cualquier
cambio en la rapidez o en la
trayectoria de un cuerpo es
sinónimo de aceleración. De
acuerdo con esto, es correcto
afirmar que cuando un cuerpo
frena, está acelerando (claro
que negativamente). Del mismo
modo, también decimos que un
cuerpo está acelerando cuando
comienza a variar su trayectoria.
En la situación descrita, el carrito de juguete no experimenta
mayores alteraciones en su trayectoria debido a que por estar bien
equilibrado los efectos del roce son prácticamente imperceptibles. Sin
embargo, ¿qué ocurriría si haces andar el carrito atado a una cuerda
por su costado, que a su vez se encuentra fija mediante un clavo en
la superficie de una mesa? En este caso, es muy posible observar que
nuestro vehículo, al estar sometido constantemente a una fuerza, no
tenga una trayectoria rectilínea sino que circular. ¡Compruébalo!
Para no olvidar
Tal como podemos concluir en las actividades anteriores, cuando un cuerpo cae
debido a la acción del peso, su movimiento es cada vez más rápido. Mientras más
tiempo esté cayendo el cuerpo, mayor será la rapidez con que llegue al suelo.
Por otra parte, cuando el cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba, su rapidez disminuye
a medida que sube (ya que se mueve en contra de la fuerza peso). Mientras mayor es la
rapidez con que el cuerpo es lanzado hacia arriba, mayor es la altura que alcanza.
Los movimientos verticales son movimientos que presentan variaciones en la rapidez del
cuerpo, las que son producidas por la acción de la fuerza peso. En general, a los movimientos
que presentan variaciones en la rapidez se les denomina movimientos acelerados.
CAPÍTULO 2
39
Manos a la obra
Acróbatas y artilleros en acción
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Observar.
· Registrar datos.
· Dibujar.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Materiales:
· Algunas bolitas.
· Un auto de juguete
resistente.
· Un trozo de madera de
unos 30 cm de largo y 10 a
15 cm de ancho.
· Una regla.
Lanzamientos horizontales
Verificaremos en esta actividad los efectos de una fuerza en la
trayectoria de un cuerpo.
¿Han visto en algunas películas de acción cómo el protagonista hace
saltar su automóvil sobre un puente cortado o desde un edificio a otro?
Es probable que sí, ya que escenas como las descritas abundan incluso
en los dibujos animados. En esta actividad realizaremos algo parecido.
1. En primer lugar, ubiquen dos pupitres o mesas de igual altura y cuyas
cubiertas sean horizontales. Pónganlos uno frente al otro separados
por una distancia de 30 cm, tal como muestra la figura:
2. Si impulsamos el autito desde la mesa en la que se encuentra hacia la
otra mesa, haciéndolo saltar el espacio entre ambos muebles,
¿alcanza a llegar el carrito sin caer? Registren su predicción:
a. Verifiquen ahora su predicción realizando el experimento. ¿Qué
ocurre?
b. ¿Por qué ocurre lo observado?
40
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
3. Repitan el experimento aumentando primero la rapidez del autito y
después háganlo acortando la distancia entre las mesas.
a. ¿Es posible hacer pasar el carro de una mesa a otra?
b. ¿Cuál es su conclusión?
4. Dibujen la trayectoria aproximada que realiza el carro al empujarlo
horizontalmente desde una mesa a otra.
5. Empleando ahora la tabla y algunos libros, diseñen una forma de hacer
pasar el autito desde una mesa a la otra, pero manteniéndolas
separadas por más de treinta centímetros. Hagan un esquema del
montaje y verifiquen posteriormente su utilidad. Dibujen en su
cuaderno la trayectoria aproximada que sigue el carro al ser empujado
desde una mesa a la otra mediante tu diseño experimental.
En la actividad anterior, fue necesario diseñar y construir un montaje
especial para hacer pasar el auto desde una mesa a otra. Esto es
necesario debido a la acción permanente de la fuerza peso, que
impedía a nuestro vehículo tener una trayectoria horizontal y rectilínea
en el aire.
Cuando lanzas piedras con la mano, ¿de qué manera puedes lograr el
mayor alcance? ¿Lanzándolas de manera horizontal u oblicua? Si no lo
recuerdas o no te has fijado, después de esta actividad podrás
responder fácilmente a estas interrogantes.
Lanzamientos oblicuos
1. Con los materiales de la actividad anterior, construyan un montaje
como el siguiente:
CAPÍTULO 2
41
Para saber...
Un cuerpo que es lanzado
oblicuamente sobre la superficie
de la Tierra describe una
trayectoria denominada
“parabólica”. Esta forma se debe
a la permanente acción del peso
sobre el cuerpo, lo que modifica
su trayectoria. Esta situación es
estudiada y sabida por los
artilleros, quienes antes de lanzar
algún proyectil, regulan la
inclinación de sus armas, de
modo de lograr el alcance justo
de acuerdo con el blanco que
quieren alcanzar. Se denomina
balística al estudio del
movimiento de los cuerpos
proyectados a través del espacio.
Inclinación
Si lanzamos las bolitas con cierta velocidad a través de la tabla, de
manera que salten y caigan de la mesa, ¿cuál será la trayectoria
aproximada de las bolitas? Dibújenla en el esquema anterior.
2. Lancen una bolita y verifiquen la trayectoria que habían predicho.
¿Por qué la bolita sigue esta trayectoria?
3. Prueben con diferentes rapidez para la bolita y comparen las
trayectorias seguidas. ¿En qué se diferencian? ¿En qué se asemejan?
a. ¿Qué pueden concluir?
b. Si cambian la inclinación de la tabla, ¿cómo varía la trayectoria de
la bolita?
c. ¿Qué pueden concluir?
d. ¿Cuál es la mejor inclinación de la tabla, para lograr el máximo
alcance?
Alcance
Científicos con actitud
La ciencia ha entregado valiosas herramientas y
conocimientos al ser humano para el desarrollo de aviones y
naves espaciales que han mejorado nuestra calidad de vida
y al mismo tiempo nos han permitido conocer con más detalle el
Sistema Solar. Sin embargo, también ha impulsado poderosas armas que
en ocasiones amenazan la paz mundial y la vida de las personas.
1. ¿Cuál creen que debería ser la actitud de los científicos frente al mal
uso que los seres humanos le dan a sus descubrimientos?
2. Junto con el curso, diseñen un diario mural en el cual se destaquen
los efectos positivos de los avances científicos.
Para no olvidar
Tal como habrás observado en las actividades anteriores, la fuerza peso, al igual
que las otras fuerzas, puede alterar la trayectoria de un cuerpo,
independientemente de la rapidez con que éste se mueva. En el caso particular de
los lanzamientos horizontales u oblicuos, el efecto del peso es sumamente notorio. De hecho,
del mismo modo como el peso altera la trayectoria de un automóvil, también lo hace sobre
una pequeña bala o una liviana flecha.
42
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Revisando tus conocimientos
I. Francisco se ha quedado dormido en el auto en que viaja junto a su hermano Rodrigo, quien
va despierto y lleva una máquina fotográfica. Al pasar lentamente por el costado de la plaza,
Rodrigo observa a Claudia que se encuentra sentada en un banco y decide sacarle una
fotografía. Días después, al revelar las fotografías, observa que la imagen de Claudia aparece
borrosa. Rodrigo exclama: “Si Claudia hubiese estado quieta (en reposo), la fotografía habría
salido mejor. Tal vez debería haber fotografiado a Francisco, que estaba totalmente quieto”.
a. ¿Es correcto el razonamiento de Rodrigo? ¿Por qué?
b. Si Claudia hubiese tomado una fotografía a Francisco, ¿habría salido borrosa? ¿Quién se
estaba moviendo?
II. Mediante su mano, Andrea lanza una pelota hacia arriba y ésta sigue la trayectoria descrita en
las figuras siguientes. En la figura (A) se observa el ascenso de la pelota hasta llegar a la su
altura máxima; mientras que en la figura (B) se describe el descenso desde dicha altura hasta
llegar al suelo nuevamente.
Ascenso (A)
Descenso (B)
Altura máxima
Dibuja en cada punto de la trayectoria una flecha azul representando la rapidez de la pelota y
una flecha roja representando la fuerza de roce.
III. Empleando tus propias palabras, explica:
a. ¿Qué es el movimiento?
b. ¿Cómo se diferencia el recorrido del desplazamiento?
c. En una caída libre un cuerpo aumenta su rapidez a medida que transcurre el tiempo. ¿Por
qué un paracaidista no aumenta su rapidez?
CAPÍTULO 2
43
CAPÍTULO 3
Las Máquinas
3.1 Máquinas y mecanismos
Para saber...
Arquímedes fue quizás el
primer ingeniero de la antigua
Grecia.
Nació en el año 287 a.C. y gran
parte de su vida la dedicó a
estudiar de manera científica las
máquinas sencillas. Aplicando
sus observaciones, construyó
otras más complejas aún.
Se cuenta que un día el rey
Hierón de Siracusa desafió a
Arquímedes para que arrastrara
a solas un barco hasta la playa.
El sabio griego reflexionó un
rato y amarró al barco un
sistema formado por un gran
número de poleas, de tal forma
que con un pequeño esfuerzo
logró mover la nave.
Una de las cosas que distingue a los humanos de los demás seres
vivos es la constante transformación que producen en su entorno. En
efecto, todo el paisaje que nos rodea ha sido de una u otra forma
producido o modificado por la acción y el trabajo humano.
Sin embargo, la rapidez con que la humanidad hoy en día produce
estos cambios se debe en gran medida al uso de máquinas y
herramientas, que inicialmente fueron descubiertas por la necesidad
y posteriormente fueron perfeccionadas y diseñadas a través de un
largo y complejo proceso tecnológico.
Neolítico: Se
inicia en el 7.000
a.C. y concluye en
el 4.000 a.C
Reloj de cuerda: El
despertador, tal y como se
conoce hoy, fue inventado por
el relojero Levi Hutchins de New
Hampshire, EEUU, en 1787.
Transbordador espacial:
En 1981 el transbordador
Columbia es el primero en ir
y volver al espacio.
Movimiento
Rueda: Las ruedas más antiguas
que se conocen fueron construidas
en la antigua Mesopotamia, entre
el año 3500 a.C. y el 3000 a.C.
Movimiento
44
Máquina de escribir: En 1837
Giuseppe Ravizza da a conocer el
primer proyecto de máquina de
escribir, que se patenta en 1856.
La palabra máquina se asocia rápidamente con mecanismos, y
muchas veces nos sugiere la idea de un artefacto tecnológico,
complejo y sofisticado. Sin embargo, es conveniente realizar algunas
precisiones, ya que tanto las máquinas como los mecanismos están
presentes de manera constante en nuestra vida cotidiana.
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Se denomina mecanismo a cualquier sistema de cuerpos o dispositivo
que permita transmitir un movimiento o una fuerza,
independientemente de si puede modificar alguna de estas
magnitudes. Así, por ejemplo, el sistema de engranajes de un reloj se
considera un mecanismo, puesto que su función es transmitir el
movimiento desde la cuerda hasta los punteros. Del mismo modo,
también es un mecanismo el mango del cepillo de dientes, ya que
mediante él transmitimos la fuerza y el movimiento a las cerdas.
Una máquina, por su parte, es un dispositivo que además de
transmitir el movimiento es capaz de multiplicar la fuerza aplicada,
facilitando de esta manera nuestro trabajo. De acuerdo con esto, algo
tan simple como un destapador de bebidas o un cortaúñas
constituye una máquina, ya que ambos artefactos permiten
multiplicar la fuerza aplicada directamente con nuestras manos.
Mango
Punto de
apoyo del
mango
Hojas de corte
Para saber...
Las colosales pirámides de
Egipto, así como otras grandes
construcciones que perduran
hasta hoy, han constituido un
misterio para la humanidad.
¿Cómo pudieron construir
dichas obras los egipcios sin
usar grúas ni maquinaria
moderna? La respuesta puede
parecer increíble, sin embargo
hay evidencia de que
emplearon máquinas tan
simples como el plano inclinado
y la polea.
Una rampa en espiral daba
vueltas alrededor de la
pirámide, de manera similar a
la carretera trazada en la ladera
de una montaña Por ella los
egipcios y sus esclavos
arrastraban pesados bloques
para construir su titánica obra.
Punto de apoyo de
las hojas de corte
De manera directa o indirecta, diariamente empleamos artefactos que
nos simplifican la vida al permitirnos realizar nuestras tareas con
menor esfuerzo, como la bicicleta, que mediante una combinación
dada entre los pedales y el pequeño engranaje de la rueda trasera
(piñón), posibilita que nos desplacemos a grandes distancias de
manera mucho más rápida que cuando corremos, y sin fatigarnos
tanto.
Quizás una de las máquinas más simples y al mismo tiempo muy
útiles, sea el plano inclinado o rampa. Pese a ser muy antiguo, este
dispositivo es de gran uso en la actualidad. Incluso, en nuestro país la
ley obliga a todos los edificios públicos y a aquellos que atiendan
público, a contar con rampas especialmente diseñadas para permitir
el acceso a personas discapacitadas. Del mismo modo, hoy en día las
aceras se construyen con pequeñas rampas en las esquinas con el
mismo propósito.
CAPÍTULO 3
45
Manos a la obra
Trabajando con máquinas
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Observar.
· Registrar datos.
· Dibujar.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Materiales:
· Un dinamómetro.
· Una polea (que
construiremos).
· Un trozo de cartón piedra.
· Un compás.
· Lápiz grafito.
· Tijeras.
· Goma de borrar.
· Pegamento.
· Clips de alambre.
· Chinches.
· Una huincha.
· Un trozo de lienza de
algodón (de la usada para
los trompos).
· Una tabla de un metro de
longitud, aproximadamente.
· Un pequeño bloque de
madera (como el utilizado en
la actividad de la página 25).
En esta actividad, usaremos diferentes máquinas y compararemos su
eficacia para la realización de la misma tarea.
Construcción de la polea
1. Marquen con el compás dos círculos de aproximadamente 4 cm de
diámetro y recórtenlos con la tijera.
2. Repitan la operación, pero con dos círculos de diámetro de 5 cm.
3. Peguen los círculos, haciendo coincidir los centros, tal como muestra
la figura:
4. Desarmen el clip, como muestra la figura, y pásenlo a través del
centro de la polea. Para esto es conveniente que perforen primero el
centro de la polea con la aguja del compás.
Realización de la actividad
1. Mediante un chinche, unan el bloque de madera a la
lienza, tal como muestra la figura:
Chinche
Lienza
2. Aten el extremo libre de la lienza al dinamómetro y midan
la fuerza que necesiten aplicar para levantar el cuerpo
hasta una altura de medio metro aproximadamente.
46
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
El plano inclinado
1. Con el trozo de tabla y empleando una mochila o libros, armen un
plano inclinado como el mostrado en la figura.
2. Si subimos el cuerpo arrastrándolo por el plano inclinado, ¿hay que
aplicar una fuerza mayor o menor?
· Verifiquen sus predicciones realizando el experimento.
3. Si subimos el cuerpo arrastrándolo por el plano inclinado, ¿hay que
aplicar una fuerza mayor o menor?
· Verifiquen sus predicciones realizando el experimento.
a. ¿Qué sucede?
b. ¿Qué pueden concluir?
c. ¿De qué manera podrían levantar el cuerpo usando el plano, pero
ejerciendo una fuerza aún menor?
La polea
1. Tal como muestra la figura, enganchen el
alambre del clip a la manilla de una puerta,
a la rama de un árbol del patio o cualquier
punto que esté a cierta altura y pueda
sostener la polea, de tal forma que esta
pueda moverse libremente en torno a su
eje.
2. Pasen a través de la ranura de la polea la lienza con el bloque de
madera y aten en el extremo libre el dinamómetro, como muestra la
figura de la derecha.
3. Si tiramos desde el extremo libre de la cuerda para levantar el
cuerpo, ¿cómo será la fuerza aplicada respecto del peso ejercido
sobre el cuerpo?
· Verifiquen sus predicciones realizando el experimento.
a. ¿Qué sucede?
b. ¿Qué pueden concluir?
Para no olvidar
En la actividad anterior hemos observado que en general el uso de máquinas nos
permite “ahorrar” esfuerzo. Es decir, mediante las máquinas podemos facilitar la
realización de nuestras tareas. En el caso concreto del plano inclinado, es posible
levantar cuerpos de gran masa empleando una fuerza cuyo valor es inferior al peso de dichos
cuerpos.
Sin embargo, es conveniente recordar que en el caso de la polea, cuando la utilizamos de la manera
que lo hemos hecho en la actividad, no actúa como máquina, sino como mecanismo, ya que su
efecto principal en este caso es el de variar la dirección de la fuerza aplicada y no de multiplicarla.
CAPÍTULO 3
47
Actividad
¿Qué otras máquinas conoces?
Para saber...
El dinamómetro consta de un
resorte y una escala graduada
en la que se mide el
estiramiento del resorte. Para
graduarlo, se escogen masas
de valores conocidos, de modo
que se pueda calcular su peso
(fuerza). Por ejemplo, si
colgamos una masa de 0,1 kg,
sabemos que ejercerá una
fuerza de 1 N.
1. A continuación, dibujen en su cuaderno al menos cuatro máquinas
simples que estén presentes en sus casa y describan la forma en que
permiten desarrollar las tareas más fácilmente.
Científicos con actitud
Las máquinas nos han dado bienestar y progreso. Nos
permiten realizar una gran cantidad de tareas en poco
tiempo y con muy poco esfuerzo. Sin embargo, hay un
pequeño problema con ellas, y es que al mismo tiempo que nos
facilitan las tareas, han ido reemplazándonos lentamente, de tal forma
que cada vez en las fábricas e industrias se requieren menos operarios.
Este fenómeno genera un grave problema social.
Hoy día hay varias posturas respecto de este problema:
· Algunos piensan que no debe detenerse el progreso, y aunque las
máquinas reemplacen a las personas y las dejen sin trabajo, los
beneficios y la riqueza para el país serán tan grandes que todos
seremos beneficiados.
· Otros piensan que hay que prohibir las máquinas y darle trabajo a más
personas, así todos tendrán la posibilidad de satisfacer sus
necesidades, aunque ganen poco dinero.
· Un tercer grupo opina que no hay que detener el progreso, sino que
aprovechar las máquinas para reducir la jornada de trabajo y así las
personas no tengan que trabajar tanto. De esta forma habría trabajo
para todos y el país crecería tanto que nadie tendría necesidades.
1. Con ayuda de su profesora o profesor, organicen un debate acerca
del uso de máquinas. Para ello, divídanse en tres grupos y que cada
uno argumente a favor de alguna de las opiniones anteriores.
2. Para organizar el debate, es conveniente que cada grupo proceda de
la siguiente manera:
a. Investigar acerca de las tareas que actualmente realizan las
máquinas en diversos ámbitos y en qué medida éstas han
reemplazado a las personas en sus actividades productivas.
b. Identificar las ventajas y desventajas del uso de las máquinas en las
actividades productivas (abaratamiento de costos, rapidez de
producción, cesantía, etc.)
c. Elaborar argumentos a favor de la postura escogida y críticas a las
posturas de los demás grupos.
d. Construir preguntas y elaborar modelos de respuestas a las
posibles preguntas y/o críticas de los demás equipos.
48
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
3.2 Tipos de máquinas
Ya sabemos qué es una máquina y que todos los días las empleamos
para facilitar nuestras actividades. Sin embargo, no todas las
máquinas trabajan de la misma manera, ni tampoco todas las
máquinas sirven para la misma tarea. Nos detendremos ahora a
revisar el funcionamiento de algunas de ellas.
Polea
Las poleas
Fuerza
Las poleas son máquinas que permiten multiplicar las fuerzas y, al
mismo tiempo, cambiar la dirección de una fuerza. Por ejemplo,
empleamos poleas para levantar cuerpos pesados.
En este caso, empleamos una polea fija, que permite levantar un
cuerpo aplicando una fuerza cuya intensidad es de igual magnitud
que el peso ejercido por la Tierra sobre este cuerpo. Aquí, la polea no
multiplica la fuerza, pero nos permite modificar la dirección de la
fuerza ejercida y también nos ayuda con nuestro propio cuerpo como
contrapeso.
Polea simple
También existe un sistema llamado polea móvil, que se emplea de
manera similar al mostrado en la imagen.
El sistema de polea móvil puede ser mejorado combinándolo con
una polea fija:
Para saber...
El ahorro en esfuerzo que
conseguimos al emplear una
máquina no es gratuito. En
efecto, cada vez que empleamos
una máquina para realizar una
tarea, debemos compensar el
ahorro en esfuerzo con un
mayor desplazamiento.
“todo lo que se ahorra en
esfuerzo, se pierde en
desplazamiento”.
Para no olvidar
Las poleas son mecanismos que en general permiten cambiar la dirección de una
fuerza, facilitando de esta manera la realización de alguna actividad. Sin embargo,
al utilizar poleas móviles o combinaciones de ellas, actúan como máquinas,
multiplicando la intensidad de las fuerzas.
CAPÍTULO 3
49
Manos a la obra
Experimentando con poleas
Destrezas y habilidades por
practicar:
En esta actividad, verificaremos la efectividad de las poleas móviles y
observaremos el efecto producido por un sistema de poleas.
· Observar.
· Registrar datos.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
1. De manera similar a como lo hicieron en la actividad anterior,
construyan otra polea.
Materiales:
Para esto, necesitarán los
mismos materiales del Manos
a la obra “Trabajando con
máquinas” de la página 46.
2. Diseñen un montaje experimental para levantar al cuerpo de la
actividad anterior, pero empleando primero una polea fija y
posteriormente un sistema de poleas. Realicen la actividad y registren
en ambos casos la fuerza indicada en el dinamómetro.
a. ¿En cuál de los dos sistemas se requiere una fuerza mayor?
b. ¿A qué atribuyen los resultados?
3. Hagan un esquema o diagrama de las dos situaciones y dibujen las
fuerzas que se aplican sobre el cuerpo, y las correspondientes
acciones en cada polea.
Las palancas
Observen la figura y respondan: ¿de qué manera el niño podría
mover la piedra de gran tamaño sin tener que aplicar una gran
fuerza?
Es muy probable que esta situación la hayan observado en
la vida real o bien en los dibujos animados. Efectivamente,
al usar una barra rígida apoyada sobre un punto fijo
(fulcro) podemos multiplicar la fuerza aplicada en uno de
sus extremos. A este sistema le llamamos palanca.
Fuerza
aplicada
Punto de apoyo
Carga
Brazo de palanca
Brazo de carga
50
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Las palancas tienen un amplio uso en nuestro hogar, en el colegio y
prácticamente en todo nuestro entorno.
Si observan las imágenes anteriores, notarán que en todos los casos
hay una palanca, un punto de apoyo, una fuerza aplicada y una
“carga” sobre la cual multiplicamos la fuerza. Sin embargo, hay
algunas diferencias entre ellos. ¿Qué diferencia observan?
Para saber...
“Dadme un punto de apoyo y os
moveré el mundo”; esta frase
es atribuida al sabio
Arquímedes, quien sabía que
con una fuerza débil, pero
ayudado de una palanca, se
puede desplazar cualquier peso.
Sólo hay que aplicar esa fuerza
a un brazo de palanca muy
largo y conseguir “otra Tierra”,
es decir, el punto de apoyo que
pedía. Pues bien, un hombre
capaz de levantar de manera
directa un cuerpo de 60 kg de
masa, necesitaría un brazo de
palanca que fuese...
100.000.000.000.000.000.000.000
veces más largo que el brazo de
carga.
Por otra parte, si consideramos lo
que dice la regla de oro de la
mecánica, podemos darnos
cuenta de que para levantar la
Tierra en un cm, tendríamos que
desplazar el extremo de la
palanca donde aplicamos la
fuerza, una distancia nada menos
que de...
1.000.000.000.000.000.000 km.
Efectivamente, la diferencia fundamental entre estas máquinas que
funcionan en base al mecanismo de la palanca consiste en la
ubicación del punto de apoyo. De acuerdo con esto, las palancas se
clasifican de la siguiente manera:
Palancas de primera clase o especie (o primer género)
Las palancas de este tipo se caracterizan porque el punto de apoyo
se encuentra siempre entre la carga y el punto de aplicación de la
fuerza. Por ejemplo:
CAPÍTULO 3
51
Para todas las palancas en general, mientras más largo es el brazo de
palanca o más pequeño el brazo de carga, mayor es el efecto
multiplicador de la fuerza.
Palancas de segunda clase o especie (o segundo género)
En estas palancas, el punto de apoyo se encuentra en uno de los
extremos y la carga entre dicho punto y la fuerza aplicada. Por
ejemplo:
Palancas de tercera clase o especie (o tercer género)
En estas palancas, el punto de apoyo se encuentra en uno de los
extremos y la fuerza aplicada entre dicho punto y la carga. Por
ejemplo:
Para no olvidar
Independientemente de su género, todas las palancas requieren un punto de apoyo.
Dicho punto tiene que ser firme y estable, ya que debe ser capaz de sostener todo el
sistema.
52
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Manos a la obra
La máquina humana
¿Han oído decir que el cuerpo humano es la máquina perfecta?
Efectivamente, nuestro organismo es un sistema complejo que en
gran medida se asemeja a una máquina, la que funciona mediante
energía que se obtiene de un combustible muy especial: nuestros
alimentos. El cerebro actúa como un súper computador que envía las
órdenes a cada uno de los órganos mediante impulsos eléctricos que
viajan velozmente a través de una compleja red que llamamos sistema
nervioso. Por otra parte, algunos de nuestros movimientos pueden ser
representados por medio de sistemas de palancas, como lo haremos
en esta actividad.
Destrezas y habilidades por
practicar:
1. Para esto, les invitamos a diseñar y construir, en equipo con sus
compañeros y compañeras, un modelo mecánico para explicar, a
través del principio de las palancas, el funcionamiento de nuestro
antebrazo al levantar un cuerpo desde el suelo, tal como muestra la
figura:
Materiales:
· Investigar.
· Organizar información.
· Diseñar.
· Construir un modelo.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Para esto, definirán en su
grupo los materiales por
utilizar de acuerdo con las
características del modelo
elegido.
2. Para el desarrollo de la actividad tendrán que ceñirse a la siguiente
pauta:
· Recopilar en diversas fuentes, como enciclopedias, revistas,
láminas, Internet o la consulta a algún experto, información sobre
el funcionamiento del antebrazo.
· Ordenar la información y realizar el diseño de un modelo que
permita reproducir el movimiento del antebrazo.
· Planificar la construcción del modelo.
· Identificar las tareas necesarias y ordenarlas apropiadamente,
asignar responsabilidades entre los miembros del equipo y
recolectar los materiales más adecuados para la construcción del
modelo.
· Construir el modelo siguiendo el orden planificado, considerando
aspectos de seguridad y limpieza, evaluando constantemente
la calidad del producto.
· Probar el modelo y presentarlo al resto del curso,
explicando su funcionamiento.
CAPÍTULO 3
53
Para saber...
La accidentada geografía de
Valparaíso ha hecho que desde
hace más de cien años existan
ascensores que comunican las
zonas altas de la ciudad con el
plano principal. Estos no son
verticales, sino que suben por
empinados rieles. Según cuenta
la historia local de esta ciudad,
el 1 de diciembre de 1883 se
inaugura el ascensor
Concepción, “cuyos carros de
madera eran accionados por
contrapeso, según un sistema
hidráulico que operaba mediante
estanques de agua, ubicados a
ambos lados del recorrido”.
Se ubica entre los 10 y los 45
metros sobre el nivel del mar y
sus rieles tienen una longitud de
70 metros y su trayecto tarda
45 segundos.
Fue declarado Monumento
Nacional el 22 de septiembre de
1998.
3.3 Diseñando máquinas
El mundo de las máquinas es variado y complejo. Hoy en día es
muy difícil encontrarnos con una actividad humana en la que no se
empleen máquinas. Hay máquinas para recrearnos, como el tobogán
o el balancín; máquinas para el transporte, como los automóviles o
los barcos; máquinas para facilitar la vida en el hogar, como una
licuadora o una batidora; máquinas para la minería, como correas
transportadoras o trituradoras de material; máquinas para la
agricultura, como las trilladoras o las que producen los fardos de
pasto; etcétera.
En realidad… en casi cualquier actividad humana hay máquinas. Sin
embargo, es conveniente señalar que de una u otra manera, una gran
parte de ellas funciona basándose en mecanismos muy simples,
como las poleas, los planos inclinados o las palancas.
54
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Máquinas basadas en la palanca y/o la polea:
Grúa de construcción (también llamada “pluma”).
Carga
Cinta transportadora
Contrapeso
Teleférico
Bicicleta
CAPÍTULO 3
55
Manos a la obra
Destrezas y habilidades por
practicar:
· Investigar.
· Organizar información.
· Diseñar.
· Construir un modelo.
· Predecir.
· Verificar.
· Obtener conclusiones.
Materiales:
Para esto, definirán en su
grupo los materiales por
utilizar de acuerdo con las
características del modelo
elegido.
Construcción de una máquina
En esta actividad, trabajarán aplicando sus conocimientos de las
máquinas en el diseño y construcción de un dispositivo que les permita
realizar una tarea relacionada con las actividades productivas de su
región.
1. Para el desarrollo de la actividad, tendrán que ceñirse a la siguiente
pauta:
· Investigar en un atlas o consultando otras fuentes, cuáles son las
actividades productivas más importantes en su región o ciudad.
· Indagar también acerca de las principales tareas que se deben
realizar en dichas actividades productivas.
· Escoger una de las tareas y diseñar para ella un modelo de máquina
que permita facilitar u optimizar dicha tarea.
· Planificar la construcción del modelo de máquina.
· Identificar las tareas necesarias para construir el modelo y
ordenarlas apropiadamente.
· Asignar responsabilidades entre los miembros del equipo.
· Recolectar los materiales más adecuados para la construcción del
modelo de máquina.
· Construir el modelo de máquina siguiendo el orden planificado,
considerando aspectos de seguridad y limpieza, evaluando
constantemente la calidad del producto.
· Probar el modelo y presentarlo al resto del curso, explicando su
funcionamiento.
Ejemplo:
Región de Coquimbo.
Producción de pisco
Tarea: Traslado de la fruta cosechada (uvas) desde las plantaciones hasta
la planta productora. Esta tarea la hacen hombres cargando cajones con
uva a través de estrechos y empinados caminos, lo que hace que la uva
se maltrate.
Modelo de máquina: una cinta transportadora que lleve la fruta desde
los viñedos hasta la planta de manera rápida, segura e higiénica.
Mecanismos empleados: poleas, tornos.
56
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Revisando tus conocimientos
I. Empleando los términos que están a la izquierda, completa las afirmaciones de la derecha:
Clase
Primer
Desplazamiento
Movimiento
3. La palanca gira en torno a un ______.
4. Una carretilla es un ejemplo de palanca de segunda ___.
5. La ___ es un ejemplo de palanca de ___ tipo.
6. Cuando usamos una máquina, lo que ahorramos en esfuerzo
se pierde en ___.
7. Cualquier dispositivo que permite transmitir ___ es un ___.
Tijera
Fuerza
Punto de apoyo
Dirección
2. Mediante las poleas es posible amplificar y modificar la ___
de la ___.
Multiplicar
1. Una máquina permite ___ la fuerza.
Mecanismo
II. Para cada situación, dibuja en tu cuaderno la máquina o herramienta más apropiada.
Destapar una botella de bebida con tapa metálica (corcholata).
Trasladar horizontalmente un saco de cemento.
Levantar un balde con agua desde el fondo de un pozo hasta la superficie.
III. Lee atentamente cada una de las siguientes interrogantes y escribe en tu cuaderno la
respuesta.
1. Para levantar un cuerpo hasta una altura de seis metros, se emplea un plano inclinado, de
tal forma que para este trabajo se aplica una fuerza equivalente a la cuarta parte del peso
del cuerpo. ¿De qué longitud debería ser el plano inclinado?
2. Muchos jardineros que trasladan sus utensilios en una carretilla suelen introducir palos
en sus mangos, aumentando la longitud de éstos. ¿Cuál es la razón de esta “adaptación”?
3. ¿Cuántas máquinas hay en la cocina de tu casa que funcionen mediante palancas?
Escoge una de ellas, dibújala e identifica el punto de apoyo y el punto donde se aplica la
fuerza.
IV. Utilizando tus propias palabras, describe una situación en la que se observe la validez de la
“regla de oro de la mecánica”.
CAPÍTULO 3
57
Construye tu conocimiento
“El movimiento de los aviones”
Desde la antigüedad los seres humanos han
querido parecerse a las aves y dominar la técnica
del vuelo. Sin embargo, esta facultad natural en
las aves no resulta simple en los seres humanos,
quienes después de un prolongado y
accidentado proceso fueron capaces de
remontarse en los aires con un aparato
tecnológico capaz de moverse de manera
autónoma: el avión.
Aun cuando uno de los primeros modelos de
aeronave corresponde al helicóptero diseñado
por Leonardo Da Vinci en el siglo XV, fueron los
descubrimientos de Daniel Bernoulli (1700-1782)
los que permiten hoy en día explicar la
sustentación de los aviones en el aire.
Bernoulli descubrió que el aire en movimiento es
capaz de producir una “fuerza de succión sobre
los cuerpos”haciendo que éstos puedan elevarse.
Mayor rapidez del aire
Fuerza de
succión
Mayor rapidez del aire
También es posible explicar esta succión a través
de las fuerzas: debido a la forma y al ángulo en
que el ala del avión “enfrenta” al aire, lo empuja
hacia abajo. Debido a este “empuje”, el aire ejerce
sobre el ala del avión otra fuerza de igual
intensidad pero opuesta, que provoca que el
avión se eleve.
La sustentación del avión depende de dos
factores: la rapidez con que se mueva el aire
respecto de la nave y el “ángulo de ataque”, es
decir, la inclinación del ala respecto del avión.
,Actividad de proyecto
Tal como hemos visto, el vuelo de un avión se
basa en el principio de sustentación ilustrado en
la figura. Es cierto que este principio es simple, sin
embargo los ingenieros y técnicos que participan
en el diseño y construcción de aviones deben
tener en cuenta varios factores, como el perfil del
ala, la ubicación de alerones, la forma del fuselaje,
etc., de tal forma que el diseño sea no sólo
sustentable en el aire, sino que además seguro.
Nuestro desafío consistirá en realizar el diseño y
posterior construcción en equipo de un modelo a
escala de avión, considerando en el diseño
aspectos como perfil y longitud de las alas,
fuselaje, materiales, etcétera.
Para ello deberás:
1. Investigar en diversas fuentes acerca de:
· Principio de sustentación de los aviones.
· Formas apropiadas para el perfil de ala de un
avión.
· Diseños y modelos a escala de aviones,
técnicas de construcción, materiales, etc.
2. Realizar el diseño de un modelo de avión,
considerando un perfil de ala que permita su
sustentación al remolcado mediante una
cuerda fija en su nariz.
3. Planificar la construcción del modelo de avión
empleando una carta Gantt.
4. Realizar la construcción del modelo de acuerdo
con la planificación.
5. Probar el modelo y presentarlo al resto del
curso.
http://www.aero.upm.es/es/alumnos/historia_aviacion/tema2.html
http://www.e-aeromodelismo.com.ar/iniciate.htm
http://www.oni.escuelas.edu.ar/2003/BUENOS_AIRES/62/tecnolog/porque.htm
58
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
entre
superficies es
Mecánico
en fluidos es
Viscoso
Roce
pueden actuar
por contacto
como el
Acciones mutuas
entre dos o más
cuerpos
son
Plano
inclinado
Palancas
Poleas
móviles o
combinadas
multiplicadoras
de fuerza como
Máquinas
Abierta o
cerrada
Rectilínea o
curvilínea
Rapidez
se describe mediante los
conceptos de
e la forma del camino y
se clasifica como:
Trayectoria
Polea fija
como
El movimiento
se transmite mediante
Mecanismos
Producen cambios en
se pueden transmitir mediante
Movimiento de las
personas y de los
cuerpos en la Tierra
influyen y
determinan el
Peso
pueden actuar
a distancia
como el
Las fuerzas
Desplazamiento
Sistema de
referencia
es un cambio de
posición respecto
de un
Síntesis
A continuación te presentamos un mapa conceptual en donde se sintetizan los principales conceptos
tratados en esta unidad.
UNIDAD 1
59
27
26
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
1. En cada una de las situaciones descritas, confirma si son correctas, y si no lo son, explica en tu
cuaderno mediante tus propias palabras por qué.
21
22
23
24
25
aluación Unidad 1 •
• Evaluación Unidad
nidad 1 • Evaluación
aluación Unidad 1 •
18
19
20
Arturo y Pamela se enfrentan en la final de la
competencia del popular “gallito”. Antes de iniciar el
duelo, el juez de la competencia les dice: “ganará el que
sea capaz de ejercer mayor fuerza que el otro” ¿es
correcta esta afirmación?
16
17
Situación A
Esteban dice: “Si yo
no me alejo ni me
acerco al punto de
referencia, entonces
puedo decir que
estoy en reposo”.
Su compañera Elvira
le responde: “Lo que
dices no siempre es
cierto, ya que yo
puedo estar
moviéndome sin
acercarme ni
alejarme de un punto
de referencia”.
¿Tiene razón
Esteban? ¿A qué
movimiento se refiere
Elvira?
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Mariela dice: “No es
cierto aquello que
dicen que cada vez
que ejercemos una
fuerza sobre un
cuerpo, éste cuerpo
también ejerce fuerza
sobre nosotros”.
Ana María confirma
diciendo: “Tienes
razón, porque cuando
yo empujo mi banco,
éste se mueve, pero
yo permanezco en
reposo”
Cristina les dice:
“están equivocadas”
¿Quién tiene la razón
en esta
conversación?
2
3
4
5
Situación B
1
60
UNIDAD 1: Fuerza y movimiento
Situación C
Evaluación Unidad 1
1 • Evaluación Unida
Unidad 1 • Evaluació
Evaluación Unidad 1
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unidad 1 •
1 • Evaluación Unidad
Unidad 1 • Evaluación
Evaluación Unidad 1 •
Evaluación Unid
1 • Evaluación
Unidad 1 •
Evaluación Unid
2. Une con una línea la idea o concepto expresado en la columna de la izquierda con la situación o
fenómeno de la columna derecha (una idea de la izquierda puede coincidir con más de una
situación de la derecha).
El
movimiento y el
reposo son
relativos.
A. Cuando los bueyes tiran de una carreta, ellos
también son tirados por la carreta.
La
masa es una
propiedad de los
cuerpos.
B. El desplazamiento de un atleta que realiza
una vuelta completa alrededor de una pista
circular es nulo.
1
2
Las
fuerzas son
acciones mutuas
entre dos o más
cuerpos.
3
C. No importa donde se encuentre un
astronauta: en la Tierra, orbitando el planeta o
en la Luna; siempre tendrá la misma masa.
D. Al dar un salto vertical, no somos nosotros,
sino la Tierra la que nos impulsa verticalmente
hacia arriba.
El
desplazamiento
se mide desde la
posición inicial
hasta la final.
4
F. La trayectoria de un cuerpo puede tener una
longitud igual o mayor que su desplazamiento,
pero no puede ser “más corta”.
5
Las
fuerzas no son
propiedad de los
cuerpos.
E. Cuando viajamos en un avión, podemos
conversar con nuestros compañeros de viaje
porque éstos están en reposo respecto de
nosotros.
G. Un caballo que tira una carreta no tiene más
fuerza que el hombre que conduce la carreta.
3. Supón que eres un ingeniero del siglo III a.C. y tienes que diseñar un sistema que te permita levantar
grandes bloques de piedra para la construcción de una torre. Debes utilizar poleas, cuerdas, planos
inclinados y palancas. A continuación haz un diseño original que integre todos estos elementos.
Autoevaluación Unidad 1
Copia y completa en tu cuaderno este cuadro que te ayudará a evaluar tu propio aprendizaje.
Sí
Puedo mejorar
Cuando algo me sale mal, logro controlar mis emociones
Cumplo con mis responsabilidades asignadas en el trabajo en equipo
He aprendido a trabajar en equipo
Indicadores
•
ad
ón
•
Según tus respuestas, escribe en tu cuaderno dos acciones que permitan mejorar tu desempeño.
UNIDAD 1
61
Algo más para aprender...
La gravitación universal
y la órbita de la Luna.
Una difundida leyenda cuenta que en
una ocasión en que el científico Isaac
Newton se encontraba descansando
observó que una manzana caía desde
lo alto del árbol, impulsada por el peso.
De acuerdo con esto, Newton realizó algunas
reflexiones y concluyó que la fuerza de
gravedad que hacía caer a la manzana era la
misma fuerza que mantenía a la Luna en su
órbita. Esto sería el comienzo de sus estudios
que culminarían con el establecimiento de la
Ley de Gravitación Universal en 1684.
Según esta ley, existe una fuerza de atracción
que actúa entre todos los cuerpos del
Universo. Dicha ley depende de la masa de los
cuerpos y de la distancia entre ellos. En efecto,
mientras mayor es la masa de los cuerpos,
mayor es esta fuerza.
Masas pequeñas
fuerzas pequeñas
Masas grandes, grandes fuerzas
Del mismo modo, al aumentar la distancia de
separación entre los cuerpos, la fuerza
disminuye rápidamente.
Menor separación, mayor fuerza
¿Por qué la Luna no “cae”
a la Tierra?
En realidad, la pregunta es otra… ¿por qué la
Luna no se “escapa de la Tierra”? Supón que
tienes una piedra atada firmemente a una
cuerda con la cual comienzas a hacerla girar
rápidamente alrededor tuyo. En estas
condiciones, es fácil observar que mientras más
rápido haces girar la piedra, mayor es la fuerza
que tienes que ejercer sobre ella para que no se
escape. De hecho, si sueltas la cuerda
observarías como la piedra se “escapa” en una
trayectoria rectilínea.
En el caso de la Luna, y cualquier satélite
artificial que permanezca en órbita, se produce
el mismo efecto: aquí también hay un “cordel
invisible” que se encarga de ejercer una fuerza
para “obligar” al cuerpo a permanecer en
órbita.
La magnitud de esta fuerza de atracción
producida por la gravitación tiene el valor
“justo” para mantener a nuestro satélite en
órbita alrededor de la Tierra.
1. ¿A qué conclusión hizo llegar a Newton la
caída de la manzana?
2. ¿Qué señala la Ley de Gravitación
Universal?
3. ¿Cómo influyen la masa y la distancia en la
Ley de gravitación Universal?
4. ¿Por qué la Luna no se “escapa” de la
Tierra?
Mayor separación, menor fuerza
62