Guia N1_2° M_ Leyes de Newton

Liceo Miguel de Cervantes y Saavedra
Depto. de Física
Esta guía es para todos los cursos de Segundo Medio del Liceo
GUIA N°1 DE FISICA : LEYES DE NEWTON
Cursos: 2° Medio
Profesor: Mario Sánchez Hevia.
Guía de Recapitulación de física.
TOPICO GENERATIVO: LEYES DE NEWTON.
APRENDIZAJES ESPERADOS:
1.
2.
3.
4.
5.
Definir y caracterizar el concepto fuerza.
Reconocer y caracterizar las tres leyes de newton.
Dar ejemplo de la vida cotidiana de cada una de las leyes de Newton .
Diferenciar entre masa y peso.
Diferenciar entre fuerza de roce cinético y fuerza de roce estático.
INSTRUCCIONES:

Lea comprensivamente los contenidos de esta guía. Puede hacer cuadro de
resumen de los aspectos que Ud. Considera más importantes. Luego responda las
preguntas y resuelva los ejercicios.

Además puede apoyarse con el texto de física de 2° medio que le entregó el
ministerio a comienzo de año . En las páginas 78 hasta la 91.Donde encontrará
contenidos, actividades y ejercicios.
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Los principios de Newton
En esta sección estudiaremos las fuerzas y sus efectos en el movimiento de un cuerpo,
para ello revisaremos los conceptos básicos asociados a las fuerzas, así como también las
leyes que permiten describir como las fuerzas cambian el movimiento de un cuerpo.
¿Qué es la fuerza?
Es habitual que en algunos textos nos encontremos con una respuesta a esta pregunta
basada en una ecuación que relaciona la masa de un cuerpo con su aceleración, sin
embargo, la fuerza es más que una fórmula. En efecto decimos que las fuerzas son
acciones recíprocas entre dos o más cuerpos que producen cambios en la forma y/o en el
movimiento de un cuerpo. Es decir, un empujón, un golpe, un tirón, etc. Son ejemplos de
fuerzas actuando sobre un cuerpo.
Las fuerzas, dado que son acciones recíprocas entre dos o más cuerpos, también se les
llamaremos interacciones. Por otra parte, esta definición de fuerza nos obliga de una u
otra manera a referirnos a ellas en plural, ya que como son recíprocas, siempre hay más
de una actuando.
Existen ciertas características comunes a todas las fuerzas, las que describiremos a
continuación:
• En primer lugar, las fuerzas no son propiedad de los cuerpos, ya que son acciones entre
ellos. Por tanto no se pueden guardar o acumular. Las fuerzas sólo existen mientras se
están ejerciendo o aplicando.
• Es incorrecto entonces decir que una máquina tiene fuerza o que un hombre tiene
fuerza. Ambos pueden tener energía o la capacidad para ejercer fuerza, pero la fuerza no
se posee, es una interacción.
• Las fuerzas son acciones reciprocas entre dos cuerpos, pero producen efectos diferentes
en cada uno de ellos. Así por ejemplo al empujar un carro lo movemos y nosotros
permanecemos en reposo, sin embargo no podemos negar que el carro también ejerció
fuerza sobre nosotros, sólo que el roce con el suelo impide nuestro movimiento.
• Es importante tener en cuenta que la capacidad de ejercer fuerza no es exclusiva de los
seres vivos. Todos los cuerpos pueden ejercer fuerzas.
• Una de las características esenciales de la fuerza, es su carácter vectorial. Es decir, la
fuerza tiene asociada una dirección y un sentido determinado, ya que como es una acción,
depende de la dirección en que se aplique el efecto que producirá.
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Figura 1
Los principios de Newton
Los principios propuestos por este importante científico inglés son tres: El de inercia, el de
masa y el de acción y reacción. En el estudio de las fuerzas y sus efectos, la masa (m) es
una noción fundamental para dar cuenta de las leyes que rigen los movimientos. Esta
magnitud, tal como reacordarás desde la enseñanza básica es por una parte la cantidad de
materia que posee un cuerpo. Sin embargo al mismo tiempo la masa permite establecer una
medida de la atracción gravitacional ejercida sobre un cuerpo (el peso) y también una
medida de la inercia, tal como veremos más adelante. Es muy importante tener en cuenta
que masa y peso, aunque a veces se emplean como sinónimos, no son lo mismo.
Principio de Inercia
Respecto del principio de inercia, lo más importante es reconocer que si la fuerza total que
actúa sobre un cuerpo es nula (cero), entonces dicho cuerpo está detenido o bien
posee un movimiento uniforme y rectilíneo; es decir, contrariamente a las nociones
tradicionales, no es necesaria la acción permanente de una fuerza, para que un cuerpo se
esté moviendo. Muchos hechos cotidianos son consecuencia de esta ley. Por ejemplo,
cuando estamos viajando en un automóvil y este cambia su velocidad, frenando,
acelerando o virando, nuestro cuerpo intenta seguir viajando con la velocidad que teníamos
y en la misma dirección y sentido. El viajero del vehículo, cuando este frena, siente como si
algo lo empujara hacia delante; cuando el auto acelera, como si algo lo empujara hacia atrás
y, cuando el auto dobla a la derecha, como si algo lo empujara hacia la izquierda.
Evidentemente, en ninguno de estos casos hay algo que lo empuje, son sensaciones
producto de la tendencia de nuestro cuerpo de seguir moviéndose del modo como venía
haciéndolo.
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Experimentando
con
la
inercia
Coloca un lápiz o una goma de borrar (o ambos) sobre una hoja de papel. Toma la hoja y
deslízala lentamente sobre la mesa. La goma y el lápiz se moverán con ella. Tira ahora la
hoja lo más rápidamente que puedas, ¿qué ocurre? La goma y/o el lápiz se quedarán
prácticamente en el mismo lugar. Del mismo modo algunos magos sacan el mantel de una
mesa sin que se muevan las copas, platos y jarrones. El truco es aplicar el principio de
inercia. Para dejar sorprendido a los espectadores, la situación debe cumplir dos
condiciones: la masa de los objetos que están sobre el mantel no puede ser muy pequeña, y
el roce entre los objetos y el mantel no debe ser muy grande.
Figura 2
Aceleración y masa
En el segundo principio de Newton, también conocido como el principio de masa, lo
importante es advertir que cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza neta (F) diferente de
cero, entonces el cuerpo experimenta una aceleración (a) cuyo valor está dado por:
a=F
m
Donde m es la masa del cuerpo y F es la fuerza neta que actúa sobre él. De la anterior
expresión tenemos que:
F =m.a
( formula 1)
es decir, la aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza
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neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. Dicho de otro modo,
mientras mayor sea la fuerza sobre un cuerpo, mayor aceleración experimentará y, por otra
parte, una misma fuerza producirá mayor aceleración, mientras menor sea la masa del
cuerpo sobre el que actúa.
La expresión matemática de este principio (1) define el concepto de fuerza e incluye al
principio de inercia. En efecto, si F = 0, necesariamente a = 0; es decir, no hay aceleración
y, por lo tanto, o está en reposo, o bien se mueve con velocidad constante.
De la expresión (1) vemos que la unidad de fuerza debe ser igual al producto entre una
unidad de masa y una de aceleración. En el Sistema Intencional (S.I) de unidades las
fuerzas se miden, entonces, en kg×m/s2, unidad que se denomina newton.
Por otra parte, hay que tener en cuenta que las fuerzas poseen una dirección y sentido en el
espacio, las cuales dependen de la aceleración. Por ejemplo, un automóvil viaja en la
dirección norte-sur, con el sentido hacia el norte, como se indica en la figura:
figura 3
Si el vehículo tiene aceleración positiva, es decir, está aumentando su velocidad, entonces
la fuerza que actúa sobre él está también dirigida hacia el norte. Pero si su aceleración es
negativa, es decir está, reduciendo su velocidad (o va frenando), entonces la fuerza que
actúa sobre él está actuando hacia el sur.
Resulta muy importante destacar que en general los tres principios de Newton están
relacionados entre si y son totalmente congruentes. Por ejemplo, de acuerdo al principio de
Inercia, si un cuerpo se mueve con velocidad constante, podemos decir que la fuerza neta
sobre él es nula. Del mismo modo, si sui velocidad es constante, podemos decir que la
aceleración es nula, por lo tanto la fuerza neta sobre el es nula, tal como lo señala el
segundo
principio
de
Newton.
Por otra parte, hemos dicho que la masa es la cantidad de materia que posee un cuerpo, sin
embargo, desde el punto de vista dinámico, podemos decir que la masa es una medida de la
inercia que tiene un cuerpo, es decir, la masa permite estimar la resistencia que un cuerpo
presenta frente a los cambios de movimiento. La masa inercial de un cuerpo, se define
operacionalmente de acuerdo al segundo principio de Newton:
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(formula 2)
Acción
y
Reacción
En el tercer principio –el de acción y reacción– es importante darse cuenta de varios
aspectos. Primero, que la fuerza que actúa sobre un cuerpo necesariamente la está aplicando
otro cuerpo; es decir, que las fuerzas se originan cuando los objetos interactúan entre sí. Si
designamos por A y B a un par de cuerpos que interactúan, entonces si
es la fuera
que A le aplica a B, entonces B aplica simultáneamente a A la fuerza
, de igual
magnitud, en la misma dirección que
, pero en sentido opuesto. Matemáticamente
podemos escribir:
. Por último, no hay que olvidar que las fuerzas que
constituyen un par del tipo acción y reacción, a pesar de las características antes señaladas,
no
se
anulan
entre
sí,
pues
actúan
sobre
cuerpos
distintos.
Estos tres principios de Newton tienen muchas consecuencias y explican varios hechos que
debes
comprender.
Podemos diferenciar las fuerzas según el tipo de interacción en que se originan. Hay varias
muy importantes en física: las eléctricas, las magnéticas, las nucleares, etc. A continuación
nos referiremos a dos: la fuerza de gravedad (o peso) y a la fuerza de roce.
La fuerza Peso. Corresponde a la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos que se
encuentran en sus cercanías hacia su centro. Aunque comúnmente se confunde el concepto
de masa con el de peso, es importante señalar que ambos están relacionados, pero no son lo
mismo. La masa por su parte, es la cantidad de materia del cuerpo (o bien una medida de su
inercia) y se mide en kg. En términos de la física clásica, la masa de un cuerpo no sólo es
propiedad de él, sino que además es una magnitud constante, es decir, en cualquier punto
del universo tiene el mismo valor.
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Figura 4
El peso por su parte, es una fuerza y por lo tanto no es propiedad del cuerpo. La fuerza es
una interacción que puede variar de acuerdo a la posición del cuerpo respecto de la Tierra.
Operacionalmente, el peso de un cuerpo P se determina como el producto entre la masa del
cuerpo (en kg) y la aceleración de gravedad g en el punto donde queremos calcularlo
(habitualmente usamos g = 10 m/s2). De esta forma el peso queda como:
P = m∙g
 [kg∙m/s2]
Formula 3
= [newton]
P --> [N]
Por ejemplo, el peso sobre una persona de 60 kg, aquí en la superficie terrestre es de 600
newton.
Es importante insistir en la diferencia entre masa y peso, reforzando la idea de que mientras
la masa de un objeto es una propiedad que lo caracteriza, su peso depende del lugar en que
se encuentre. En efecto, la misma persona cuya masa es 60 kg y posee aquí en la superficie
terrestre un peso de 600 newton, en la superficie de la Luna, donde g = 1,6 m/s2 su masa
será la misma mientras su peso se reducirá a 96 newton, y en el espacio interestelar, lejos
de cualquier astro, donde g = 0, deja de tener peso.
Es interesante saber que la aceleración de gravedad (g) no solo está presente en la
superficie de nuestro planeta. En realidad se extiende a todo el universo. Tampoco es una
propiedad exclusiva de la Tierra, pues la atracción gravitacional se produce entre todos los
cuerpos, de tal forma que todos, en mayor o menor medida, tienen un peso respecto de los
demás. Por último, esta es la principal fuerza que determina la dinámica del universo a gran
escala: galaxias, estrellas y planetas.
Dado que la fuerza peso es origen gravitacional y su valor depende del punto en que nos
encontremos en el universo, podemos definir la noción de masa gravitacional, que es la
propiedad del cuerpo que le permite interactuar gravitacionalmente con otros cuerpos. En
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general, la masa gravitacional es la razón (cuociente) entre la fuerza gravitacional que
experimenta el cuerpo y la aceleración que dicha fuerza provoca sobre el cuerpo. Por
ejemplo, en la Tierra la fuerza gravitacional que experimenta un cuerpo es el Peso (P) y la
aceleración debida al peso es la aceleración de gravedad (g), por tanto la masa gravitacional
será:
formula 4
Ejercer fuerza gravitacional al interactuar En este punto, es conveniente considerar la
siguiente situación resulta de interés introducir la idea.
La fuerza de roce mecánico. Las fuerzas de roce mecánico son fuerzas que aparecen
cuando hay dos superficies en contacto y se oponen al deslizamiento entre ellas. Además
debemos diferenciar entre las fuerzas de roce estático y de roce cinético. Para comprender
esto analizaremos un ejemplo.
Supón que un mueble está en reposo en el suelo. Si quieres moverlo deberás aplicar una
fuerza sobre él. Si le aplicas una fuerza creciente, por ejemplo usando un resorte o elástico,
verás que éste se estira antes de que el mueble se empiece a mover. Allí está actuando el
roce estático. Después se empezará a mover y, para conseguir que se desplace lenta y
uniformemente comprobarás que necesitarás aplicar una fuerza menor que la de roce
estático máximo. Cuando el mueble ya se esté moviendo, estará actuando el roce cinético.
El gráfico siguiente ilustra esta situación.
Figura 5
¿Por qué la fuerza que mide el resorte corresponde a la fuerza de roce? ¿En qué dirección
actúa la fuerza de roce que ejerce el suelo sobre la silla? ¿De qué depende el roce entre la
silla
y
el
suelo?
La fuerza de roce FR depende tanto de la fuerza normal (N) que el suelo aplica sobre la
silla, como de los materiales de que estén hechos el suelo y las patas de la silla. En esta
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situación en que el suelo es horizontal, el valor de la fuerza normal es igual al peso de la
silla.
Figura
6
El valor de la fuerza de roce estático FRE y el valor de la fuerza de roce cinético FRC se
pueden expresar, en función de la fuerza normal N, del siguiente modo
EN
CN
FRE=
FRC=
En que E y C, denominados coeficientes de roce estático y cinético respectivamente,
dependen exclusivamente de los materiales de las superficies en contacto.
La siguiente tabla proporciona algunos valores para estos coeficientes.
Materiales en contacto (E (C Goma en concreto 0,9 0,7 Madera en nieve 0,08 0,06 Acero
en acero 0,75 0,57 Madera en madera 0,7 0,4 Vidrio sobre vidrio 0,9 0,4 Veamos un par de
ejemplos
para
comprender
el
significado
de
estos
coeficientes.
Ejemplo
1:
Un mueble de 40 kg y con patas de madera está sobre un piso horizontal, también de
madera.

¿Cuál es la mínima fuerza horizontal que se le debe aplicar para sacarlo de su estado
de reposo?
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
¿Qué fuerza horizontal es necesario aplicarle para continuar deslizándolo una vez
iniciado el movimiento?
figura 7
Como se trata de madera sobre madera, los coeficientes de roce estático y cinético son E =
0,7 y C = 0,4 respectivamente. Como el peso del mueble es Fg = (40 kg)×(10 m/s2) = 400
newton, igual a la normal N, por tratarse de una superficie horizontal, entonces, aplicando
las relaciones anteriores tenemos como respuesta a la pregunta a):
FRE= EN = 0,7×(400 newton) = 280 newton.
Y para la respuesta a la pregunta
b):
FRC= CN = 0,4×(400 newton) = 160 newton.
Ejemplo 2:
Un cajón de madera lleno de manzanas tiene una masa de 30 kg. Para deslizarlo
suavemente (con velocidad constante) sobre un suelo horizontal de concreto se necesita
aplicarle una fuerza horizontal de 150 newton. ¿Cuál es el coeficiente de roce cinético entre
la madera y el concreto?
Según las expresiones anteriores tenemos que
300
newton
y
FRC
=
150
newton,
. Como N = (30 kg)×(10 m/s2) =
tenemos
que
C
=
0,5.
Es importante notar que los coeficientes de roce son cantidades adimensionales; es decir,
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que no tienen una unidad de medición, que siempre, cualquiera sea el par de materiales que
se considere, E >  y que sus valores no dependen de la extensión de las áreas en
contacto.
PREGUNTAS
1. De acuerdo a la guía qué son las fuerzas, qué pueden producir en los cuerpos.
2.
Explique las principales características de las fuerzas.
3. Por qué se dice que las fuerzas son magnitudes vectoriales. Y haga un esquema
explicativo de este vector.
4. Exprese en forma resumida el principio de inercia y escriba tres características de
este primer principio o ley.
5. Exprese de una manera resumida el principio de masa y escriba tres características
de esta segunda ley o principio.
6. Analice la fórmula 1 : F =m.a y exprese en palabras lo que significa físicamente.
Además explique que ocurre cuando la fuerza es igual a cero.
7. De la fórmula anterior cual es la unidad reconocida internacionalmente que permite
medir fuerza.
8. De acuerdo a la figura 3, explique cuando la aceleración es positiva y cuando es
negativa.
9. Exprese de una manera resumida el principio de acción y reacción y escriba tres
características de esta tercera ley o principio.
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10. ¿Qué es el peso, cual es su fórmula y en que unidades se mide?
11. De tres características de la masa y tres características del peso. Y explique qué
diferencias existen entre estos dos conceptos.
12. ¿Qué es la masa gravitacional , que características tiene y cuál es su fórmula?
13. Explique qué es el roce estático y el roce cinético y escriba su fórmula.
14. Copie el ejemplo N° 1 de cálculo de fuerzas y desarróllelo paso a paso. Y a partir de
esto invente tres ejemplos similares y resuélvalos paso a paso.
15. Copie el ejemplo N° 2 de cálculo de coeficiente de roce cinético y a partir de esto
invente tres ejemplos similares y resuélvalos paso a paso.
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