Física MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME Y UNIFORMEMENTE VARIADO 1 El estudiante está en la capacidad de reconocer: • El movimiento mecánico y sus elementos. • Las características del movimiento rectilíneo uniforme y del movimiento rectilíneo uniformemente variado. Su análisis de la física aristotélica le permitió demostrar la falsedad del postulado según el cual la aceleración de la caída de los cuerpos, en caída libre, era proporcional a su peso, y conjeturó que en el vacío todos los cuerpos caen con igual velocidad. Demostró también que la distancia recorrida por un móvil en caída libre es inversamente proporcional al cuadrado del tiempo. Limitado por la imposibilidad de medir tiempos cortos y con la intención de disminuir los efectos de la gravedad, se dedicó al estudio del plano inclinado, lo que le permitió comprobar la independencia de las leyes de la caída de los cuerpos respecto de su peso y demostrar que la aceleración de dichos planos es constante. Basándose en la descomposición de fuerzas que actúan sobre un móvil, demostró la compatibilidad entre el movimiento de rotación de la Tierra y los movimientos particulares de los seres y objetos situados sobre ella. Si deseas ver un video de la biografía de Galileo busca en YouTube con este código: tKfV_05_UO8 143 Física CINEMÁTICA Se divide según su trayectoria MOV. RECTILÍNEO MOV. CURVILÍNEO Se divide en M.P.C.L. M.R.U. M.R.U.V. Caso particular M.V.C.L. MOVIMIENTO MECÁNICO Llamamos cuerpo de referencia al cuerpo con relación al cual se define la posición de todos los demás cuerpos del universo. Comúnmente el cuerpo de referencia es el observador que describe el fenómeno de movimiento. Por regla, con el cuerpo de referencia se enlazan tres rectas mutuamente perpendiculares, es decir, los ejes de coordenadas, de tal forma que la posición de un punto cualquiera M en el espacio se define por sus coordenadas x, y, z. Se denomina sistema de referencia a un sistema de coordenadas que se encuentra asociado a un cuerpo de referencia y al conjunto de relojes sincronizados ubicados en diferentes puntos del sistema de coordenadas. Se dice que un cuerpo se encuentra en movimiento, respecto de un sistema de referencia, cuando su posición cambia continuamente en el tiempo. A manera de ejemplo, consideremos el caso que un observador ubicado en la tierra observa un avión que vuela horizontalmente y que de pronto deja caer una bomba. En el sistema de referencia asociado con el observador, el proyectil se encuentra en movimiento ya que éste cambia de posición continuamente al transcurrir el tiempo. 144 Y d Observador Reloj X Se denomina desplazamiento a la magnitud vectorial que expresa el cambio de posición neto que experimenta un móvil durante su movimiento. Se representa por un vector d que une la posición inicial con la posición final del móvil en un cierto intervalo de tiempo. Se denomina trayectoria a la línea que describe un móvil durante su movimiento. Se denomina recorrido a la longitud de la trayectoria descrita por un móvil durante un cierto intervalo de tiempo. Física Es importante señalar el carácter relativo del concepto de movimiento, ya que las características de éste dependen del sistema de referencia elegido. Un cuerpo puede describir un movimiento de trayectoria rectilínea respecto de un sistema de referencia y al mismo tiempo describir un movimiento de trayectoria curvilínea respecto de otro o estar en movimiento respecto de un sistema de referencia y al mismo tiempo encontrarse en reposo respecto de otro. v v El movimiento de la piedra descrito por un observador situado sobre el avión es diferente del movimiento descrito por un observador en la Tierra. Y X Z v1 v2 145 Física VELOCIDAD (v) La velocidad (v) es una magnitud vectorial cuyo módulo mide la rapidez de movimiento de un móvil en cierto instante, entendiéndose por esto, la rapidez con que éste cambia de posición respecto de cierto sistema de referencia. Si un cuerpo se encuentra en reposo en cierto sistema de referencia, su velocidad es nula. Por otro lado, si el cuerpo se encuentra en movimiento, en este sistema de referencia, el cuerpo tiene velocidad. Cuando más rápido se mueve un cuerpo, en ese sistema de referencia, mayor será el módulo de su velocidad. La dirección de la velocidad del móvil siempre es tangente a su trayectoria en cada uno de sus puntos. En el Sistema Internacional de unidades (SI) la velocidad se mide en metros por segundo (m/s), aunque suele medirse en kilómetros por hora (km/h). ACELERACIÓN (a) Es una magnitud vectorial que mide la rapidez con que cambia la velocidad de un móvil. Es decir, si la velocidad de un móvil cambia en módulo o dirección, éste experimenta una aceleración. 30 km/h Si un cuerpo se mueve rectilíneamente la aceleración a tendrá la misma dirección que su velocidad v si el módulo de ésta se encuentra aumentando y tendrá dirección opuesta si se encuentra disminuyendo. a v Si el cuerpo se mueve curvilíneamente su aceleración a siempre apunta hacia la parte cóncava de la trayectoria en cada punto y formará un ángulo agudo con la velocidad v si el módulo de ésta se encuentra aumentando o formará un ángulo obtuso si se encuentra disminuyendo. X (1) 30 /h km En el ejemplo mostrado en la figura superior decimos que el auto está acelerando debido a que su velocidad está cambiando de dirección, aunque su rapidez no cambia. 146 v1 : obtuso a1 30 km/h v: aumenta v: disminuye 60 km/h En el ejemplo mostrado en la figura superior decimos que el auto está acelerando debido a que su velocidad está aumentando en valor. v a (2) v2 : agudo a2 Y En la figura superior, cuando el móvil pasa por el punto (1) el valor de su velocidad en ese instante (v1) se encuentra disminuyendo y cuando pasa por el punto (2) el valor de su velocidad (v2) se encuentra aumentando. En el Sistema Internacional de unidades la aceleración 2 se mide en metros por segundo cuadrado (m/s ), aunque también puede medirse en centímetros por segundo cua2 drado (cm/s ). Física MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME Se denomina así a aquel movimiento que se caracteriza porque su velocidad v permanece constante en el tiempo. Esto implica que el móvil se mueve en línea recta y que su rapidez de movimiento no cambia en el tiempo. En este tipo de movimiento el móvil recorre distancias iguales en tiempos iguales. Como ejemplo de este tipo de movimiento están los trenes que cuando moviéndose rectilíneamente han alcanzado su velocidad de crucero y la mantienen o las escaleras eléctricas de un centro comercial. Analicemos el caso de un móvil que se mueve horizontalmente describiendo un M.R.U.V. recorriendo 3 metros en cada segundo: t=0 t=1 s t=2 s t=3 s v v v d=3 m d=3 m d=3 m v Como en cada segundo de tiempo el móvil recorre una distancia de 3 metros, el módulo de la velocidad constante que caracteriza este movimiento será de 3 metros por segundo, es decir: v = 3 m/s En este tipo de movimiento la distancia d recorrida por el móvil, y el desplazamiento experimentado, son proporcionales al tiempo transcurrido t, cumpliéndose que: d=v·t y por tanto: v d t td v Si un móvil que se mueve con M.R.U. con una rapidez v se encuentra inicialmente en el punto x = xo, su ley de movimiento será: x = xo + v · t Si deseas ver una animación resumen de este tema busca en YouTube con este código: E3L97M8c9rI 147 Física MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE VARIADO (M.R.U.V.) Se denomina así a aquel movimiento rectilíneo que se caracteriza porque su aceleración a permanece constante en el tiempo (en módulo y dirección). En este tipo de movimiento el valor de la velocidad aumenta o disminuye uniformemente al transcurrir, esto quiere decir que los cambios de velocidad son proporcionales al tiempo transcurrido, o, lo que es equivalente, en tiempos iguales la velocidad del móvil aumenta o disminuye en una misma cantidad. Ejemplo típico de M.R.U.V. es el movimiento que describe un cuerpo cuando es dejado caer desde una pequeña altura de la Tierra o un cuerpo que se mueve libremente por un plano inclinado sin considerar ningún tipo de rozamiento. Tomemos el caso que tenemos un móvil que se mueve horizontalmente describiendo un M.R.U.V. aumentando su velocidad en 2 m/s en cada segundo de tiempo. Como en cada segundo de tiempo su velocidad cambia en 2 metros por segundo, el módulo de su aceleración es de 2 metros por segundo cuadrado, es decir: 2 a = 2 m/s Como en este caso los cambios de velocidad son proporcionales al tiempo transcurrido, podemos construir la tabla mostrada a continuación: t (s) v (m/s) 1 2 2 4 3 6 t 2t De esta tabla concluimos que el cambio de velocidad es igual al producto de la aceleración a por el intervalo de tiempo transcurrido t, es decir: v a t v = vo + a t En el ejemplo vemos que el móvil se mueve cada vez más rápido y por tanto las distancias recorridas por el móvil en cada segundo serán diferentes. Como en el M.R.U.V. el valor de la velocidad aumenta o disminuye de manera uniforme, el valor medio de la velocidad, en un cierto intervalo de tiempo, es igual al promedio de la velocidad inicial y final en este tramo, es decir, la velocidad media será: vo v 2 y como la distancia recorrida se puede determinar multiplicando su velocidad media por el tiempo transcurrido, tenemos que: d = vm · t vm 148 Según esto, la distancia recorrida por el móvil en cada segundo se obtiene multiplicando el valor de su velocidad media en ese intervalo de tiempo por el tiempo de 1 s. Evaluando: d1 = 1 m d2 = 3 m d3 = 5 m En general, si un móvil parte del reposo (vo = 0) y se mueve con M.R.U.V., las distancias recorridas en cada segundo aumentan en la forma que se indica en la figura: 1s vo=0 1s d1 a 2 1s d2 3 a 2 d3 5 a 2 Esta secuencia constituye lo que se conoce con el nombre de números de Galileo, porque fue el primero que se dio cuenta de esta relación (k; 3k; 5k; 7k; ...). Las relaciones que se cumplen en el M.R.U.V. son las siguientes: N.° 1.° 2.° 3.° 4.° 5.° Existen que son las vo: v: a: FÓRMULA v vo a t v v d o t 2 2 d vo t 1 a t 2 2 2 v v0 2 a d 2 d vt – 1 at 2 cinco magnitudes características del M.R.U.V. siguientes: velocidad inicial (m/s) velocidad final (m/s) 2 aceleración (m/s ) t: intervalo de tiempo (s) d: distancia (m) En cada una de las relaciones anteriores sólo intervienen cuatro magnitudes y por tanto en cada una no interviene una de las cinco magnitudes características. Así, por ejemplo, en la primera relación no interviene la distancia d; en la segunda no interviene la aceleración a; en la tercera no interviene velocidad final v; en la cuarta no interviene el tiempo t y en la quinta no interviene la velocidad inicial vo. En un problema en concreto se utilizará la relación que involucre la relación de las magnitudes que intervienen en el problema. Si deseas ver una animación resumen de este tema busca en YouTube con este código: ud_HQ80PEU4 Física 1. Ex. Admisión UNMSM 2005-II Dos ciclistas, A y B, parten simultáneamente desde puntos opuestos de un camino recto, separados por una distancia. Sean vA y vB las velocidades constantes de los ciclistas A y B, respectivamente. Ambos ciclistas se encuentran al cabo de un minuto. Si vB=5 m/s y la distancia recorrida por el ciclista A es igual a 43 d , 2. Ex. Admisión UNMSM 2005-II Una avioneta tiene una velocidad de 120 km/h respecto del aire. Hay viento favorable de 400 km/h. ¿En cuánto tiempo recorre una distancia de 320 km? A) 1,5 h B) 4 h C) 2 h D) 2,5 h E) 4,5 h Resolución: vaire entonces la velocidad del ciclista A (vA) y la distancia d será: vavioneta 2 A) 1,7 m/s y 4 × 10 m 3 B) 20 m/s y 4,8 × 10 m 3 Dato: vavioneta/aire = 120 km/h vavioneta = vaire + vavioneta/aire vavioneta = 160 km/h Nos piden: d = vavioneta · t 320 = 160 t t 2h C) 15 m/s y 1,2 × 10 m 3 D) 10 m/s y 2,4 × 10 m 2 E) 3,3 m/s y 8 × 10 m Resolución: 60 s 60 s Rpta.: C vB=5 m/s vA d 4 3d 4 300 m • Se tiene del gráfico: d 300 d 1200 m 4 • Para el móvil A: dA = vA · t 900 v 15 m/s A 60 Rpta.: C 1. Un niño lanza una canica sobre una superficie lisa. la canica se mueve con velocidad constante y en 5 s recorre 20 m. ¿Con qué velocidad se mueve la canica? Rpta.: 6 m/s 2. Un auto se mueve con rapidez constante de 72 km/h. ¿Qué distancia en metros recorre en 5 s? Rpta.: 100 m 3. Ex. Admisión UNI 1993-II Un automóvil circula por una avenida recta y se ha observado que la posición x del vehículo está dada por la ecuación x = 6 t + 12 (t en segundos y x en metros). Determine la velocidad media, en m/s, del automóvil en el intervalo de tiempo desde t = 0 hasta t = 10 s. A) 4 B) 6 C) 8 D) 10 E) 12 Resolución: Si un cuerpo se mueve con M.R.U. su ecuación de movimiento será: x = xo + v · t Del problema: x = 12 + 6 t Además, en un M.R.U. se verifica que v vmedia . Luego v media 6 m/s Rpta.: B 3. Del gráfico, calcule d. 15 m/s 5s d Rpta.: 75 m 149 Física 4. Un coche viaja a la velocidad de 36 km/h. ¿Qué distancia recorre en 10 s? Rpta.: 100 m 5. Al cabo de qué tiempo a partir del instante mostrado el guepardo alcanza a su presa? 18 m/s 3 m/s 75 m Rpta.: 5 s 6. Un cuerpo parte del reposo con M.R.U.V. y avanza 54 m en los primeros 6 s. ¿Qué aceleración posee el cuerpo? Rpta.: 3 m/s 2 7. Un auto se mueve a 30 m/s, aplica los frenos y desacelera durante 10 s hasta que se detiene. ¿Qué distancia recorre en ese tiempo? 12. Un camión debe recorrer 300 km en 6 h, pero a la mitad del camino se detiene una hora por un desperfecto mecánico. ¿Con qué velocidad debe continuar su viaje para llegar a su destino? Rpta.: 75 km/h 13. Un auto que desarrolla un M.R.U.V. pasa por un punto con una velocidad de módulo v y luego de recorrer 80 m el módulo de su velocidad es 7v. Determine v si el auto tardó 10 s en dicho recorrido. Rpta.: 2 m/s 14. Un misionero inicia su movimiento y en dos segundos consecutivos recorre 26 m y 30 m. Si el misionero describe M.R.U.V., determine en qué segundo de su movimiento recorre 46 m. Rpta.: duodécimo 15. Una ciclista que realiza un M.R.U.V. pasa frente a un poste con una velocidad cuyo módulo es de 72 km/h y dos segundos después pasa frente al siguiente poste. Determine a qué distancia del segundo poste se detiene. Rpta.: 150 m 8. Un móvil parte con cierta rapidez y recorre 120 m a 2 razón de 0,5 m/s . Determine qué rapidez tenía al partir si al finalizar tiene 13 m/s. 32 m Rpta.: 7 m/s Rpta.: 18 m 9. ¿En qué tiempo los móviles mostrados se encuentran si avanzan al mismo tiempo? 16. Un auto inicia su movimiento con aceleración cons2 tante de módulo 1 m/s , en el instante que la luz del semáforo cambia a verde, tal como se muestra. En ese mismo instante un ciclista está viajando con rapidez constante de 7 m/s, pero está a 20 m detrás del semáforo. Determine el menor tiempo que debe transcurrir para que dichos móviles estén juntos. 2 m/s 6 m/s Rpta.: 3 s 10. Un auto se desplaza con rapidez constante v durante 16 s, recorriendo una determinada distancia. Luego aumenta su rapidez en 4 m/s, recorriendo la misma distancia en 14 s. Hallar v. Rpta.: 28 m/s 11. Un tren de pasajeros avanza con una rapidez de 72 km/h y demora 15 s en pasar delante de una persona. ¿Cuál es la longitud del tren? Rpta.: 300 m 150 vo=0 7 m/s 1 m/s 20 m Rpta.: 18 m Física 1. Identifique la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. Una partícula tiene velocidad constante cuando su rapidez es constante. II. Cuando una partícula se mueve con M.R.U. la trayectoria y el desplazamiento son iguales. III. La velocidad apunta en la dirección del desplazamiento. A) FFF B) VFF C) FVV D) VFV E) FVF 2. Una partícula realiza un M.R.U. con v=+5 m/s. Si en to=0 se tiene xo=10 m, halle el tiempo transcurrido cuando la distancia recorrida es 30 m. A) 5 s B) 6 s C) 4 s D) 3 s E) 2 s 3. Un cuerpo realiza un M.R.U. Si en los 4 primeros segundos recorre 6 m más que en el tercer segundo, determine la rapidez del auto. A) 1 m/s B) 2 m/s C) 3 m/s D) 4 m/s E) 5 m/s 4. Un tren de 100 m de longitud viaja con rapidez constante de 72 km/h. ¿Cuántos segundos tardará en pasar completamente por un túnel de 400 m? A) 20 s B) 25 s C) 35 s D) 40 s E) 50 s 5. Un móvil parte del reposo con una aceleración de 2 4 m/s . Determine su rapidez al cabo de 5 s. A) 20 m/s B) 25 m/s C) 22 m/s D) 24 m/s E) 26 m/s 6. Una partícula recorre 60 m en 5 s. Si termina con una rapidez de 8 m/s, ¿cuál fue la rapidez inicial? A) 14 m/s B) 15 m/s C) 16 m/s D) 17 m/s E) 18 m/s 7. Un camión se mueve en línea recta y aumenta su rapi2 dez de 20 m/s a 30 m/s, acelerando a razón de 5 m/s . ¿Qué distancia logró recorrer? A) 20 m B) 50 m C) 24 m D) 30 m E) 60 m 9. Un ciclista que se desplaza en una pista rectilínea pasa frente a un poste con una rapidez constante de 6 m/s. Si luego de 7 s pasa frente al poste un automóvil con una rapidez constante de 20 m/s y en la misma dirección que el ciclista, determine luego de cuánto tiempo el ciclista es alcanzado por el automóvil. A) 3 s B) 2s C) 4 s D) 6 s E) 8 s 10. La figura muestra el instante t=0 s en que dos móviles se mueven a lo largo del eje X con velocidades constantes. Determine la posición (en m) del móvil A cuando ambos nuevamente se encuentran separados 100 m. 7 m/s 3 m/s A x=0 B x=100 A) +70 m B) +210 m D) +180 m E) +105 m X(m) C) +140 m 11. Dos automóviles parten simultáneamente de un mismo punto y en la misma dirección con velocidades de 10 m/s y 40 m/s. 10 s después el automóvil retrasado toca la bocina. Halle después de cuánto tiempo de haberse tocado la bocina el automovilista adelantado escucha el sonido. (vsonido=340 m/s) A) 25 s B) 4 s D) 2 s E) 1 s C) 3 s 12. Un tren de 112 m se encuentra a 652 m frente al cerro, realizando un M.R.U.V. Si en el instante mostrado, desde la parte delantera del tren se emite un bocinazo, ¿al cabo de qué tiempo una persona ubicada en la parte posterior del último vagón oirá el eco producido en el 2 cerro? (atren=4 m/s , vsonido=340 m/s) vo=6 m/s A) 2 s B) 3s C) 4 s D) 5 s E) 6 s 8. Dos móviles, A y B, parten del mismo punto con rapi2 deces de 10 m/s y el segundo acelera a razón de 2 m/s a partir del reposo. Calcule al cabo de qué tiempo se encuentran separados 200 m. A) 4 s B) 6 s C) 8 s D) 10 s E) 12 s 151 Física Ecología LA RECUPERACIÓN DE LA CAPA DE OZONO CONTRIBUYE AL CAMBIO CLIMÁTICO Esta es, al menos, la conclusión a la que ha llegado un estudio de la organización SCAR (Scientific Committee for Antarctic Research). Las evidencias empíricas del descenso de la temperatura en la Antártida durante las pasadas décadas han sido utilizadas como argumento negacionista contra el cambio climático. Sin embargo, estos descensos se debían al agujero en la capa de ozono. La radiación extra que se ‘colaba’ por este agujero tenía un efecto muy significativo sobre las corrientes de aire en esta zona del planeta, que quedaba ‘blindada’ frente al calentamiento sufrido por el resto de la Tierra. En los últimos años, sin embargo, el agujero de la capa de ozono está experimentando una importante regeneración, ya que los agentes causantes (los CFCs o clorofluorocarburos) ya han sido prohibidos en todo el globo. Debido a esto, ahora la Antártida está tan expuesta al cambio climático como el resto del planeta, y se espera un aumento promedio de temperatura de 3 ºC en las próximas décadas, con un efecto colateral de importantes deshielos, como ha sucedido hace poco llegando a amenazar Nueva Zelanda. Resulta una cruel ironía que el mayor éxito medioambiental del siglo XX (la prohibición de los CFCs y la recuperación de la capa de ozono) también aporte su granito de arena a la mayor catástrofe medioambiental del siglo XXI. 152 Física • Alumno(a) : ______________________________________________________________ • Curso : ____________________________________________ • Aula : __________ • Profesor : ______________________________________________________________ 1. A 170 metros de una persona se produjo una explosión. Si la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s, ¿después de qué tiempo lo logrará esuchar? A) 0,5 s B) 1 s D) 4 s E) 0,25 s C) 2 s 2. Dos móviles, A y B, pasan simultáneamente por el punto de una pista recta con velocidades de 8 m/s y 15 m/s y en la misma dirección. ¿Qué distancia los separa al cabo de dos minutos? A) 800 m B) 720 m D) 1000 m E) 100 m C) 840 m 6. Calcule la distancia recorrida por un móvil en 5 s con una aceleración de 4 m/s2 si partió con una velocidad de 2 m/s. A) 40 m B) 60 m D) 24 m E) 20 m C) 30 m 7. Un tren de pasajeros viaja a razón de 36 km/h. Al ingresar a un túnel de 200 m de longitud demora 50 s en salir de él. ¿Cuál es la longitud del tren? A) 200 m B) 300 m D) 250 m E) 500 m C) 400 m 8. Un automóvil viaja con una velocidad constante de 3. El chofer de un pequeño coche, que marcha a razón de 13 m/s, ve a 150 m a otro coche que se acerca y luego de 6 s estos coches se están cruzando. ¿Cuál es la velocidad del segundo coche en m/s? A) 9 B) 10 C) 11 D) 12 E) 13 10 m/s y se dirige hacia una pared. Cuando se encuentra a 1400 m de la pared, el conductor toca la bocina. ¿Después de cuántos segundos el conductor escuchará el eco? Considere la velocidad del sonido en el aire 340 m/s. A) 8 s 4. Un móvil debe recorrer 300 km en 5 h, pero a la mitad del camino sufre una avería que lo detiene 1 h. ¿Con qué velocidad debe continuar su viaje para llegar a tiempo a su destino? A) 50 km/h B) 60 km/h D) 100 km/h E) 150 km/h C) 80 km/h 30 s ha recorrido 1350 m, ¿cuál es su aceleración? A) 1 m/s2 B) 2 m/s2 D) 4 m/s2 E) 5 m/s2 C) 3 m/s2 4s C) 2 s D) 6 s E) 5 s 9. Dos móviles, A y B, parten simultáneamente del reposo del mismo lugar y en la misma dirección con aceleraciones constantes de 3 m/s2 y 5 m/s2, respectivamente. Luego de qué tiempo estarán separados 100 m. A) 4 s 5. Un móvil parte del reposo con M.R.U.V. Si luego de B) B) 8s C) 16 s D) 20 s E) 10 s 10. Con qué velocidad un tren entra a un túnel de 50 m si se sabe que logra pasarlo en 10 segundos, acelerando constantemente con 4 m/s2. La longitud del tren es de 200 m. A) 4 m/s B) 5 m/s D) 7 m/s E) 8 m/s C) 6 m/s 153 Física MOVIMIENTO VERTICAL Y PARABÓLICO DE CAÍDA LIBRE 2 El estudiante está en la capacidad de: • Reconocer las características del movimiento vertical de caída libre y del movimiento parabólico de caída libre. DREAMWORKS, PARA LOS QUE LES GUSTA LA ADRENALINA El Giant Drop es el juego mecánico más alto y más rápido del mundo localizado en Dreamworld Australia. la estructura tiene casi 120 metros de alto (casi 40 pisos de altura) y acelera hasta alcanzar una velocidad de 135 km/h. El Giant Drop abrió en Dreamwork en 1998 y comparte la misma estructura con la Tower of terror (Torre del terror) que fue abierto el año anterior. La Tower of terror efectúa un movimiento de caída libre en reversa. El vehículo de pasajeros de 6 toneladas, es accionado electromagnéticamente, acelerando sus pasajeros rápidamente a 160 km/ h en siete segundos. El coche se eleva casi 38 pisos de altura. El vehículo efectúa una caída libre durante aproximadamente 6,5 segundos para luego girar 90 grados y frenar bruscamente hasta detenerse en la estación. Si deseas ver al Gian Trop y al Tower of terror juntos, busca en YouTube con este código: NA3XIZrlXkQ Si deseas ver lo que los pasajeros sienten cuando están cayendo libremente en el Giant Drop busca en YouTube con este código: pk41eROgj78 154 Física MOVIMIENTO VERTICAL DE CAÍDA LIBRE Se denomina movimiento vertical de caída libre al movimiento que describen los cuerpos al moverse sólo bajo la influencia de la gravedad y despreciando la acción de cualquier otra fuerza. Se denomina movimiento vertical de caída libre (M.V.C.L.) al movimiento vertical que describen los cuerpos al ser dejados caer o al ser lanzados verticalmente cerca de la superficie terrestre o, en general, cerca de cualquier cuerpo celeste, despreciando la resistencia del aire. Se comprueba experimentalmente que éste es un movimiento uniformemente acelerado y al valor numérico de esta aceleración constante se denomina aceleración de la gravedad y se denota con al letra g. El valor de g y su valor para zonas no muy alejadas de la superficie terrestre 2 es de aproximadamente 9,8 m/s , aunque hay ligeras variaciones que dependen principalmente de la altitud. El valor de g en la superficie de la Tierra comúnmente se 2 aproxima a los 10 m/s . En la tabla mostrada se muestran algunos valores aproximados de g en la superficie de diferentes cuerpos celestes. El M.V.C.L. se puede considerar un caso particular del M.R.U.V. donde la aceleración constante a, que se reemplaza por g, es conocida de antemano. Analicemos el caso de un cuerpo que es dejado caer libremente (vo=0). Cuando el cuerpo desciende verticalmente, en cada segundo la velocidad aumenta en 10 m/s, o más exactamente, en 9,8 m/s. Según esto: t(s) v(m/s) 1 v1 10 2 v2 20 3 v3 30 1 s h1 2 LUGAR g(m/s ) Mercurio 2,8 Venus 8,9 Tierra 9,8 Marte 3,7 Júpiter 22,9 Saturno 9,1 Urano 7,8 Neptuno 11,0 Luna 1,6 Si soltamos simultáneamente de una misma altura una moneda y una pluma de ave, es fácil verificar que primero llegará al suelo la moneda. Pero si repetimos este experimento en el interior de un recipiente herméticamente cerrado, en donde previamente se le ha extraído el aire, estos se moverán de una manera idéntica llegando a su base simultáneamente. Galileo conluyó que en el vacío (ausencia de aire) todos los cuerpos, sin importar su inercia, composición química, tamaño o forma, se mueven de manera idéntica. v1 1 s h2 v2 1 s h3 v3 Para determinar la altura que desciende el cuerpo en cada segundo (h1, h2 y h3) procedemos como se hizo en el caso del M.R.U.V: se determina el valor de la velocidad media en cada tramo y se multiplica por el tiempo que tarda el cuerpo en recorrerlo (en esta caso 1 segundo). A partir de esto se deduce que h1=5 m; h2=15 m; h3=25 m. Vemos que la altura recorrida por el cuerpo en cada segundo aumenta en 10 m, o más exactamente, en 9,8 m. 155 Física Si un cuerpo se lanza verticalmente hacia arriba, cuando sube describe un movimiento que puede considerarse un M.V.C.L., pero al revés. Cuando el cuerpo se eleva se mueve contra la gravedad y su velocidad disminuye hasta alcanzar su altura máxima, pero el valor de su desaceleración sigue siendo g. Analicemos el caso de que un cuerpo se lanza verticalmente hacia arriba desde la parte alta de un acantilado con 2 una velocidad inicial vo=20 m/s, considerando g=10m/s . Si el cuerpo se lanza verticalmente hacia arriba, en cada segundo la velocidad disminuye en 10 m/s (o más exactamente 9,8 m/s) hasta que alcanza su altura máxima en donde su velocidad se hace cero (instantáneamente) y posteriormente se repite el movimiento de descenso descrito anteriormente. h1 1s h2 1s 1s v1 v3 1s v0 Nivel de lanzamiento v4 1s h3 v5 156 La velocidad del cuerpo en cada segundo será: t(s) 1 2 3 4 5 v(m/s) 10 ( ) 0 10 ( ) 20 ( ) 20 ( ) Notar que los módulos de las velocidades en los instantes de t=1 s y t=3 s, y en los instantes t=0 y t=4 s, son iguales. De manera análoga al caso anterior se deduce que los valores de la altura h, que define la posición final del cuerpo respecto del nivel de lanzamiento en cada instante de tiempo son: h1=15 m; h2=20 m; h3=15 m; h4=0 m; h5=–25 m. Las fórmulas del M.V.C.L. son las mismas que las del M.R.U.V., pero debemos tener en cuenta algunas consideraciones. Si el cuerpo comienza su movimiento hacia abajo, esto es cuando se deja caer o se lanza verticalmente hacia abajo, se considerará el signo positivo del doble signo (±) y todas las magnitudes que intervienen en todas las fórmulas tendrán signo positivo. Si el cuerpo comienza su movimiento hacia arriba, esto es cuando se lanza verticalmente hacia arriba, se considerará el signo negativo de doble signo (±) y la velocidad final v y la altura h en las fórmulas podrán tener signo positivo o negativo (todas las demás magnitudes tendrán signo positivo). En este caso el signo de la velocidad final v será positico cuando el cuerpo aún se encuentra subiendo y negativo cuando ya se encuentra bajando; el signo de la altura h será positivo cuando el cuerpo se encuentre sobre el nivel de lanzamiento y negativo cuando se encuentre debajo. Es importante recalcar que h expresa la distancia entre la posición inicial y al posición final del cuerpo y no el recorrido experimentado. Física MOVIMIENTO PARABÓLICO DE CAÍDA LIBRE Círculo Elipse Parábola Hipérbola Se denomina movimiento parabólico de caída libre (M.P.C.L.) al movimiento curvilíneo que describen los cuerpos al ser lanzados horizontal u oblícuamente cerca de la superficie terrestre o, en general, cerca de cualquier cuerpo celeste, despreciando la resistencia del aire. Se comprueba experimentalmente que la trayectoria que describen los cuerpos lanzados horizontal u oblicuamente cerca de la Tierra y sin considerar la resistencia del aire es una parábola. La parábola es una de las secciones cónicas conocidas desde la antigüedad. El movimiento parabólico puede considerarse como la ejecución simultánea de dos movimientos rectilíneos: uno horizontal y otro vertical. Consideremos el caso de un avión que se mueve horizontalmente con velocidad constante y de pronto deja caer un proyectil. Respecto de la Tierra el proyectil desciende y al mismo tiempo se desplaza horizontalmente. Si se desprecia la resistencia de aire, se verifica que durante su movimiento de caída el proyectil se encuentra, en todo momento, debajo del avión. Esto indica que el movimiento horizontal del movimiento parabólico es un movimiento rectilíneo uniforme. JN JN V G-2 15 1724 02 15 V G-2 15 523 VY 1724 02 15 523 VY Consideramos el caso de que un cuerpo A se deja caer desde la parte alta de un acantilado y al mismo tiempo se lanza horizontalmente un cuerpo B con una cierta veloci- dad horizontal. ¿Cuál de los dos llega primero al agua? Si se desprecia la resistencia del aire se verifica que los dos llegan simultáneamente al agua, es decir, que en todo momento ambos se encuentran en una misma horizontal. Esto indica que el movimiento vertical del movimiento parabólico es un movimiento vertical de caída libre. AB En conclusión, todo movimiento parabólico se puede considerar como la ejecución simultánea de dos movimientos rectilíneos: un movimiento rectilíneo uniforme de trayectoria horizontal y un movimiento vertical de caída libre de trayectoria vertical. Según esto, la componente horizontal de la velocidad del cuerpo (velocidad horizontal vx) permanece constante en todo momento y su componente vertical (velocidad vertical vy) cambia uniformemente respecto del tiempo. A manera de ejemplo, analicemos el movimiento parabólico que describe un cuerpo que es lanzado oblicuamente con una velocidad vo=50 m/s con un ángulo de lanzamiento 53. Consideraremos, para facilitar los 2 cálculos, que la aceleración de la gravedad es de 10 m/s . Para comenzar, debemos decir que si la velocidad de lanzamiento tiene dirección oblicua, ésta debe ser descompuesta en sus dos componentes rectangulares: vx: componente horizontal de la velocidad vy: componente vertical de la velocidad 157 Física v3 t=3 t=5 t=4 v5 v2 t=6 t=2 v6 v1 H t=7 t=1 v7 v0 R t=0 t=8 v8 t(s) v y (m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 30 ( ) 20 ( ) 10 ( ) 0 –10 ( ) –20 ( ) –30 ( ) –40 ( ) 2 2 v vx vy 2 2 2 2 2 2 v1 30 30 42, 43 m/s v2 30 20 36, 06 m/s v3 30 10 31,62 m/s 2 2 v4 30 0 30,0 m/s t(s) X = v x t(m) t(s) 2 Y = v yt – 1 g t 2 1 Y 40(1) – 5(1) 35 2 2 1 30 2 2 2 60 2 Y 40(2) – 5(2) 60 2 2 3 90 3 Y 40(3) – 5(3) 75 2 2 4 120 4 Y 40(4) – 5(4) 80 5 150 5 Y 40(5) – 5(5) 75 6 180 6 Y 40(6) – 5(6) 60 7 210 7 Y 40(7) – 5(7) 35 8 240 8 Y 40(8) – 5(8) 0 v5 30 –10 31,62 m/s v6 30 –20 36, 06 m/s v7 30 –30 42, 43 m/s v8 30 –40 50, 0 m/s En este caso, las componentes de su velocidad de lanzamiento son de 30 y 40 m/s respectivamente. Las componentes verticales de su velocidad al cabo de 1; 2; 3; ...; 8 segundos, se determinan considerando sólo el movimiento vertical de caída libre. A partir de esto, y a partir del teorema de Pitágoras, se deduce que la velocidad instantánea vi del cuerpo al cabo de 1; 2; 3; ...; 8 segundos. Los resultados de muestran en las tablas adjuntas. 158 A continuación determinemos sus posiciones (abscisa x y ordenada y) en estos instantes de tiempo. 2 2 2 2 2 2 2 2 Concluyendo, el alcance horizontal R de este movimiento parabólico es de 240 m, la altura h que alcanza es de 80 m y el tiempo de vuelo es de 8 s. Física 1. Ex. Admisión UNMSM 2001 Un proyectil es lanzado con un ángulo de inclinación de 60°. tal como se muestra en la figura. Determine la rapidez mínima inicial para que el proyectil pase por la barrera con una velocidad horizontal de 12 m/s. A) 28 m/s B) 18 m/s D) 24 m/s E) 12 m/s vy=30 m/s Y 45° vx=30 m/s a C) 16 m/s h Resolución: b v=12 m/s • Eje X: • Eje Y: P b = vo · t b = 30(10) = 300 2 y vo · t 1 g t 2 – h (30)(10) – 10 (10) 2 2 60° vy =0 v=12 m/s • h = 200 m En el triángulo sombreado: tg 200 2 300 3 vo 12 3 Rpta.: D 3. Ex. Admisión UNMSM 2004-I Con respecto a la figura, determine el tiempo de vuelo en que la velocidad del proyectil forma un ángulo de 45° con la vertical. 60° 12 m/s Del triángulo sombreado: vo = 24 m/ s 200 m/s vo 24 m/s 60° 12 m/s A) 1,5 s B) 2,0 s C) 1,0 s D) 0,5 s E) 2,5 s 100 m Rpta.: D 2. Ex. Admisión UNMSM 2003 La figura muestra un proyectil disparado con una rapi- Resolución: dez (vo) de 30 2 m/s, el cual impacta en P después de vy=0 2 10 s. Determine la tg . (Asumir g=10 m/s ) A) X 2 3 B) 2 3 Resolución: D) 2 2 C) vx=20 m/s g=10 m/s2 A 3 2 E) 1 20 m/s B vo 20 m/s 45° • • P 45° Nos piden el tiempo entre A y B: tab = t Eje X: vy = vo + g t 20 = 0 + 10 t t 2 s Rpta.: B 159 Física 1. Soltamos una piedra desde cierta altura. Si choca en el piso con 30 m/s, ¿qué tiempo habrá transcurrido? Rpta.: 3 s 8. Si un proyectil que es lanzado horizontalmente desde el punto A con una velocidad vo=30 m/s, choca en el 2 punto B, halle H. (g=10 m/s ) A 2. Lanzamos una tiza hacia arriba con 40 m/s. Calcule el tiempo que demora en llegar nuevamente a las manos. H Rpta.: 8 s B 60 m 3. Un cuerpo se lanza hacia arriba con 40 m/s. Halle su altura máxima. Rpta.: 80 m 4. Carlitos se encuentra en un edificio y decide soltar una piedra que llega al suelo en 2 s. Calcule la altura del edificio. Rpta.: 20 m 5. Señale verdadero (V) o falso (F), según corresponda. ( ) Todo cuerpo en caída libre tiene movimiento uniforme. ( ) Sólo existe gravedad en la Tierra. ( ) La aceleración de caída libre depende del tamaño de los cuerpos. Rpta.: 20 m 9. Desde un edificio muy alto, un niño suelta un coco, 3 s después suelta el siguiente coco. ¿Cuál será la separación entre los cocos 3 s más tarde? Rpta.: 135 m 10. Se suelta un objeto desde una altura de 250 m. Determine a qué altura del piso se encuentra luego de 6 s de 2 ser soltado. (g=10 m/s ) Rpta.: 70 m 11. Un alumno lanza una canica verticalmente hacia abajo y nota que ésta después del choque elástico se eleva como máximo 5 m. Determine con qué rapidez lanzó 2 la canica. (g=10 m/s ) Rpta.: FFF v 1,8 m 6. Se lanza un objeto en forma horizontal desde la azotea de un edificio con una rapidez de 20 m/s. Determine el tiempo que dura el movimiento. 20 m/s Rpta.: 8 m/s 12. Un cuerpo que cae libremente pasó justo al punto A con rapidez v. ¿Con qué rapidez pasará junto al punto B si éste se ubica a una distancia h debajo de A? g=10 m/s2 Rpta.: 100 m Rpta.: 5 s 2 v 2gh 13. Un proyectil es lanzado de A con una velocidad vo=100 m/s. Si cuando pasa por B su velocidad es de 2 75 m/s, señale el tiempo transcurrido. (g=10 m/s ) 7. Calcule el tiempo de vuelo. B 37° 50 m/s vo 53° A Rpta.: 8 s 160 53° Rpta.: 3,5 s Física 14. Una pelota desarrolla un M.P.C.L., de tal modo que el alcance horizontal es L. Si la velocidad de disparo fue de 50 m/s y el ángulo de lanzamiento fue de 37°, ¿cuál es el valor de L? Rpta.: 240 m 16. Una pelota es lanzada con rapidez v, la cual luego de 7 s logra impactar perpendicularmente contra el plano 2 inclinado. Halle v. (g=10 m/s ) v 45° 15. ¿Cuál es el máximo alcance que se logrará lanzando un proyectil a 30 m/s y describe un M.P.C.L.? Rpta.: 90 m 1. Una piedra se lanza hacia arriba con una rapidez de 40 m/s. ¿Qué tiempo tardará en subir? A) 2 s B) 3 s C) 4 s D) 5 s E) 6 s 2. Un cuerpo se lanza con una rapidez de 70 m/s. Determine el tiempo que demora en el aire. A) 7 s B) 16 s C) 14 s D) 18 s E) 9 s 3. Se 80 A) D) lanza una piedra hacia arriba con una rapidez de m/s. ¿Qué rapidez tendrá el objeto luego de 5 s? 30 m/s B) 40 m/s C) 50 m/s 20 m/s E) 60 m/s 4. Se suelta un objeto desde cierta altura. Si demora 2 s en impactar en el piso, ¿con qué rapidez choca? A) 50 m/s B) 20 m/s C) 30 m/s D) 40 m/s E) 15 m/s 5. En las Olimpiadas de Atenas 2004, un clavadista se lanzó desde su tablero con una rapidez de v hacia arriba, llegando al agua luego de 6 s con rapidez 5 v. Halle v. 37° Rpta.: 30 2 m/s 6. Una partícula se lanza desde una altura de 45 m con una rapidez de 15 m/s. Halle x. 15 m/s A) B) C) D) E) 45 m 45 m 50 m 55 m 60 m 65 m x 7. Del gráfico, halle H si cuando llega al piso la componente horizontal de la velocidad es 25 m/s. 15 m/s g=10 m/s2 H 100 m v A) B) C) D) E) 80 m 75 m 70 m 60 m 50 m 8. Determine el alcance x si la partícula se desprende del plano inclinado con una velocidad lineal de 50 m/s. v 37° 5v A) 20 m/s D) 10 m/s B) 4 m/s E) N.A. 50 m/s 200 m C) 5 m/s g=10 m/s2 A) B) C) D) E) 80 m 90 m 100 m 120 m 160 m x 161 Física 9. Una pelota se lanza con una velocidad de 50 m/s bajo un ángulo de 53° sobre la horizontal. Calcule x si el rebote de la pelota se considera elástico. g=10 m/s2 50 m/s 200 m x A) 40 m B) 50 m C) 70 m D) 100 m E) 200 m A) 30 m D) 60 m B) 40 m E) 70 m 11. Un proyectil se lanza desde el punto A tal como se muestra. Si pasa por el punto P luego de 7 s, determine 2 su rapidez al llegar a dicho punto. (g=10 m/s ) 50 m/s 10. Un avión viaja en forma horizontal a razón de 108 km/h y a una altura de 180 m sobre el piso. ¿A qué distancia horizontal debe dejarse caer una bomba para dar en el blanco? El blanco es un tanque que se mueve 2 a razón de 20 m/s. (g=10 m/s ) 108 km/h C) 50 m A P 45 m 210 m A) 20 2 m/s B) C) D) E) 30 2 m/s 30 m/s 40 m/s 452 m/s 12. Si la piedra es lanzada desde A con una velocidad de módulo 50 m/s, determine el tiempo que emplea la 2 piedra para impactar en B y la distancia d. (g=10 m/s ) B d 180 m 50 m/s 20 m/s 8° A 45° A) 2 s; 30 2 m B) 3 s; 40 2 m C) 2 s; 40 2 m D) 2 s; 60 2 m E) 3 s; 60 2 m Curiosidades • • 162 Orejas ¿Qué parte del cuerpo crece durante toda la vida? Las orejas humanas crecen hasta una edad muy avanzada, aunque lo hacen muy lentamente. Oswiecim La ciudad polaca de Oswiecim (con tilde en la s y cedilla en la e, en polaco), a 61 km de Cracovia, es más conocida por el nombre que le dieron los alemanes nazis cuando invadieron Polonia durante la II Guerra Mundial (1939-1945), Auschwitz. Esta ciudad tiene el monumento a la iniquidad más importante y grande del mundo: El campo de concentración y exterminio de Auschwitz es considerado como el mayor cementerio del mundo. Construido en abril/ mayo de 1949 y al mando del sanguinario comandante Rudolf Höss, se estima que allí fueron asesinadas muchos más de 1 millón de personas. Las cifras exactas no se conocen, pues los archivos fueron destruidos antes de la rendición de Alemania. El campo fue liberado el 27 de enero de 1945 por los rusos pero muchos prisioneros habían sido trasladados a otros campos. Hoy día, se puede visitar el campo con • • sus crematorios de cadáveres y sus cámaras de gas, donde se probó por primera vez el gas letal Zyklon B. En la puerta de entrada puede verse la macabra leyenda: “Arbeit macht frei” (El trabajo os hará libres). Papel El papel fue inventado por un eunuco chino llamado Ts'ai Lun en el año 50 de nuestra era. En occidente, los egipcios usaban el tallo de una planta, el papiro, para hacer algo similar al papel y que se ha conservado bien gracias al clima árido. El papiro fue bastante usado incluso en Europa hasta que se amplió el uso del papel de China en el siglo XII, que fue fundamental para el uso de la imprenta inventada por Gutenberg (h 1398-1468) hacia el año 1450. Perros ¿Cómo rastrean los perros? Cuando damos un paso, nuestro calzado deja miles de millones de moléculas olorosas de un ácido llamado butírico. Una vez el animal identifica ese olor con la persona, es capaz de saber si ha pisado por un determinado lugar. Física • Alumno(a) : ______________________________________________________________ • Curso : ____________________________________________ • Aula : __________ • Profesor : ______________________________________________________________ 1. Un cuerpo se deja caer desde lo alto de un edificio de 45 m de altura. ¿Qué tiempo demora en llegar al piso? 2 (g=10 m/s ) A) 1 s B) 2s C) 3 s D) 4 s E) 5 s 2. Desde una altura H es lanzado un objeto verticalmente hacia abajo con una velocidad de 5 m/s llegando al piso con una velocidad de 15 m/s. Halle H. 2 (g=10 m/s ) A) 5 m B) 7 m D) 10 m E) 15 m C) 8 m 3. Un objeto se lanza desde el piso verticalmente hacia arriba con una velocidad de 30 m/s. Halle su altura 2 máxima. (g=10 m/s ) A) 40 m B) 45 m D) 55 m E) 60 m C) 50 m 7. Dos esferas son lanzadas verticalmente hacia arriba con 50 m/s y con un intervalo de 4 s. Determine la separación que existe entre las esferas luego de 2 s de 2 haberse lanzado la primera. (g=10 m/s ) A) 30 m B) 35 m D) 45 m E) 50 m 8. Desde la superficie terrestre y separadas 80 m se lanzan simultáneamente dos pequeñas esferas, A y B, con 30 j(m/s) y 50 j(m/s) respectivamente. ¿Qué distancia (en m) separará a dichas esferas en el instante en que A alcanza su altura máxima? A) 100 m B) 150 m D) 200 m E) 250 m B) 12 m D) 16 m E) 18 m B) 17 m D) 11 m E) 8 m A) 5 s B) 15 s C) 20 s D) 8 s E) 10 s 53° C) 14 m 100 m 5. Una esfera es lanzada horizontalmente desde la azotea de un edificio de 28 m de altura. ¿A qué distancia del suelo se encontrará luego de 2 s de haber sido lanza2 do? (g=10 m/s ) A) 20 m C) 180 m 9. Calcule el tiempo necesario para que la partícula lanzada con una velocidad de 50 m/s colisione con el piso. 4. Una esfera pequeña es lanzada desde la azotea de un edificio con +8 i(m/s). Si el edificio es de 20 m de altura, determine a cuántos metros de la base del edifi2 cio impacta la esfera en el suelo. (g=10 m/s ) A) 10 m C) 40 m C) 14 m 10. Determine el módulo de la velocidad (en m/s) de lanzamiento del proyectil que impacte en el punto O. 2 (g=10 m/s ) 6. Una pelota de fútbol es lanzada desde el suelo con O v A 4m 37° 25 m/s y con una inclinación de 53° respecto de la horizontal. Determine el tiempo que tarda para impac2 tar en el piso. (g=10 m/s ) A) 12 m/s B) 15 m/s A) 2 s B) 2,5 s D) 25 m/s E) 30 m/s D) 3,5 s E) 4 s C) 3 s 32 m C) 20 m/s 163 Física ESTÁTICA I 3 El estudiante está en la capacidad de: • Reconocer las características de la magnitud vectorial denominada como fuerza. • Conocer las fuerzas más usuales en este capítulo. • Realizar correctamente el diagrama de cuerpo libre. • Utilizar correctamente la primera condición de equilibrio. ESTÁTICA Estudia el EQUILIBRIO Condiciones 1.ª Condición de equilibrio Condición analítica F 0 164 2.ª Condición de equilibrio Condición gráfica Polígono cerrado Condición analítica M 0 Física ESTÁTICA La estática es la parte de la mecánica que estudia los cuerpos en estado de equilibrio sometidos a la acción de fuerzas. Ésta constituye una rama muy antigua de la ciencia, ya que algunos de sus principios fundamentales datan de la época de los egipcios y babilonios. Sin embargo, los principios en base a los cuales se ha desarrollado esta materia hasta alcanzar su forma actual se deben, principalmente, a Stevinus (1548-1620), quien fue el primero que empleó el principio del paralelogramo de fuerzas. A lo largo de este capítulo trabajaremos, a no ser que se diga lo contrario, con una clase ideal de cuerpos físicos: los cuerpos rígidos. Un cuerpo rígido es aquel cuerpo ideal en el que la distancia entre sus partículas no se altera cuando éste se encuentra sometido a la acción de fuerzas externas, es decir, un cuerpo idealmente indeformable. La función usual de una palanca es multiplicar una fuerza, es decir, que la pequeña fuerza aplicada en un extremo de una palanca a gran distancia del punto de apoyo, produzca una fuerza mayor que opere a una distancia más corta del punto de apoyo en el otro. El empleo de la palanca está documentado desde el tercer milenio a.n.e. en sellos cilíndricos de Mesopotamia. En un manuscrito antiguo aparece la famosa cita atribuida a Arquímedes: “Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”. Si deseas ver una animación resumen de este capítulo busca en YouTube con este código: iU8zA2BUFCg INTRODUCCIÓN “Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”. Resistencia Fuerza El principio de palanca es un concepto teórico estudiado en el aula, pero que se aplica diariamente a cada actividad que se realiza. Al abrir una botella de vino con un sacacorchos, al cortar un papel con una tijera, al utilizar una pinza o tenaza, etc. Sin ir más lejos, nuestro cuerpo utiliza para moverse diferentes tipos de palancas. Sin embargo, no se le da la importancia necesaria en la explicación del funcionamiento de la misma. Ahora bien, ¿qué es una palanca? Es una barra rígida que puede girar en torno a un punto de apoyo fijo. La longitud de la palanca entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la resistencia se llama brazo de resistencia y la longitud entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la fuerza se llama brazo de fuerza. Si deseas ver una animación acerca de palancas busca en YouTube con este código: FxuM96y5rYM Si deseas ver un video de la serie El mundo de Beakman, que trata sobre este tema, busca en YouTube con este código: jB06jjaBmv8 165 Física EQUILIBRIO MECÁNICO Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio mecánico cuando su estado de movimiento como conjunto, respecto de cierto sistema de referencia, no cambia en el tiempo. Se distinguen dos clases de equilibrio: equilibrio estático y equilibrio cinético. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio estático respecto de un sistema de referencia cuando su centro de masas, o centro de gravedad, se encuentra en reposo respecto de él. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio cinético respecto de un sistema de referencia cuando su centro de masas, o centro de gravedad, se encuentra trasladándose con velocidad lineal constante (M.R.U.) y al mismo tiempo se encuentra rotando con una velocidad angular constante (M.C.U.) respecto de él. Si sólo se cumple la primera condición se dice que el cuerpo se encuentra en equilibrio traslacional y si sólo se cumple la segunda se dice que se encuentra en equilibrio rotacional. FUERZAS La noción de fuerza surgió al apreciar la tensión muscular (jalar o empujar un cuerpo). Para elevar una piedra, desplazar un cuerpo, tensar una cuerda, etc. se necesita cierta tensión de los músculos, diferente en cada caso. La fuerza es una magnitud vectorial que es una medida del grado de interacción, o acción mutua, que existe entre los cuerpos o entre sus partículas. Ésta es la causa que origina que los cuerpos alteren, o tiendan a alterar, su estado de movimiento. También es la causa que origina la deformación de los cuerpos reales. Por ejemplo, cuando una persona patea una lata, puede adquirir movimiento y también deformarse. Según la ley de Hooke, la fuerza F necesaria para deformar linealmente un cuerpo deformable (resorte) es directamente proporcional a su elongación x (longitud deformada). Matemáticamente: F=k·x Donde F (N), x (m) y k (N/m) es la denominada constante de rigidez del resorte. La naturaleza de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos, que no son de escala microscópica, son de origen gravitatorio o electromagnético. A continuación veamos algunos ejemplos. Consideremos una persona que empuja una caja que se encuentra sobre una superficie áspera. La naturaleza de la interacción entre la persona y la caja es de origen electromagnético (entras las moléculas de la mano de la persona y las de la caja se genera una repulsión eléctrica). La naturaleza de la interacción entre la caja y la superficie también es de origen electromagnético, en este caso, de atracción eléctrica. F FR Como segundo ejemplo consideremos un imán que ejerce una acción a distancia sobre unos clavos. La naturaleza de la interacción entre el imán y los clavos también es de origen electromagnético (entre las partículas de magnetita del imán y las de los clavos se genera una atracción magnética). En el Sistema Internacional de unidades la unidad de fuerza es el newton (N). Debido a que resulta fácil medir la deformación de un cuerpo deformable, cuando sobre él actúa una fuerza, la pieza principal del instrumento para medir fuerzas, el dinamómetro, es un resorte cuyo grado de deformación depende del valor de la fuerza que se mide (ley de Hooke). 166 Física Usualmente las fuerzas se suman con el objetivo de reemplazarlas por una sola denominada fuerza resultante. Al sumar dos fuerzas que tienen la misma dirección, el módulo de la fuerza resultante se obtiene sumando aritméticamente los módulos de cada una de ellas. F2 F1 F1= –F2 15 N 10 N 25 N Al sumar dos fuerzas que tienen dirección opuesta, el módulo de la fuerza resultante se obtiene restando aritméticamente los módulos de cada una de ellas. 30 N 10 N 40 N PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN Consideremos dos partículas A y B que interactúan entre sí. Como la fuerza es una medida de la interacción entre los cuerpos, existirá una fuerza sobre cada una. Estas fuerzas pueden ser, dependiendo de su naturaleza, atractiva o repulsiva (la fuerza de interacción gravitatoria siempre es atractiva, mientras que la fuerza de interacción electromagnética puede ser atractiva o respulsiva). Supongamos que las partículas A y B se atraen entre sí, es decir, A actúa sobre B atrayéndola hacia sí con una fuerza F AB y, análogamente, B actúa sobre A atrayéndola a su vez con una fuerza F BA . FBA A FAB Esto se conoce con el nombre de principio de acción y reacción, también conocido como tercera ley de Newton y, matemáticamente, se expresa así: Facción = –Freacción Para el caso de la fuerza de atracción gravitatoria entre la Tierra y una partícula material, la fuerza que ejerce la Tierra sobre la partícula, denominada fuerza de gravedad (peso), tiene una dirección vertical que apunta hacia el centro de la Tierra. Piedra W Para el caso de las fuerzas de cohesión (atracción) de origen electromagnético que mantienen unidas las partes de un cuerpo sometido a fuerzas externas que tratan de estirarlo, denominada tensión (T), tiene una dirección que apunta hacia la otra parte del cuerpo, o lo que es equivalente, “saliendo” del cuerpo que se analiza. Cuerda F A B A la fuerza con que un cuerpo actúa sobre otro se denomina fuerza de acción y a la fuerza con el otro cuerpo actúa sobre el primero se denomina fuerza de reacción. Así, para la partícula A F AB será la fuerza de acción y F BA la fuerza de reacción; para la partícula B F BA será la fuerza de acción y F AB la fuerza de reacción. Según esta definición: “Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo son las fuerzas de reacción debido a la interacción de éste con los demás cuerpos del universo, o, lo que es equivalente, las fuerzas de acción que ejercen los demás cuerpos del universo sobre él”. Al analizar diversos tipos de interacciones, Newton llegó a la siguiente conclusión: “Las fuerzas de acción y reacción debido a la interacción entre dos partículas tienen el mismo módulo, son colineales, pero tienen direcciones opuestas y se encuentran actuando en cuerpos diferentes”. F B F T A Para el caso de las fuerzas de repulsión de origen electromagnético que otorga rigidez a un cuerpo sólido y le permite mantener su estructura cuando es sometido a fuerzas externas que tratan de comprimirlo, denominada compresión (C), tiene una dirección que “proviene” de la otra parte del cuerpo, o lo que es equivalente, “entrando” al cuerpo que se analiza. Barra F A F B C A 167 Física Para el caso de las fuerzas de repulsión electromagnética que se genera cuando dos cuerpos se encuentran en contacto, la fuerza de reacción con que el otro cuerpo “repele” al cuerpo que se analiza denominada reacción del apoyo, o simplemente reacción, tiene una dirección que es “entrando” al cuerpo que se analiza por el punto de apoyo. Esfera Si hacemos el D.C.L. de la cuerda, vemos que sobre ella actúan también dos fuerzas: la fuerza F que ejerce la persona sobre la cuerda y la tensión T de la cuerda. Si hacemos el D.C.L del sistema bloque + cuerda, vemos que sobre él actúan también dos fuerzas: la fuerza de gravedad Fg, que ejerce la Tierra sobre la pesa, y la fuerza F que ejerce la persona sobre al cuerda. En este caso la tensión es una fuerza interna al sistema y no se grafica. PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO Un cuerpo se encuentra en equilibrio de traslación si la fuerza resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre él es nula. R DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE Al analizar un cuerpo cualquiera, lo colocamos en el centro de nuestra atención y destacamos las fuerzas que actúan sobre él. Se denomina diagrama de cuerpo libre (D.C.L.) a la representación de un cuerpo, o sistema físico, en forma aislada, en el cual se muestran todas las fuerzas externa que el entorno genera sobre él. Hay que tener presente que las fuerzas son las medidas de las interacciones entre los cuerpos y si existen fuerzas actuando sobre el cuerpo que se analiza, también deben existir fuerzas actuando sobre los cuerpos con los cuales éste interactúa (principio de acción y reacción). A manera de ejemplo consideremos un sistema formado por un bloque suspendido de una cuerda de masa despreciable. F F T F3 F2 F1 F4 F3 F4 F2 F1 Matemáticamente, para el caso de fuerzas coplanares, se debe cumplir que la suma aritmética de las fuerzas o componentes que tienen dirección positiva del eje X es igual a la suma aritmética de las que tienen dirección negativa del mismo. Análogamente, la suma aritmética de las fuerzas o componentes que tienen dirección positiva del eje es igual a la suma aritmética de las que tienen dirección negativa del mismo. Fx Fx – Fy Fy– Fg –T Fg Si hacemos el D.C.L. de la pesa, vemos que sobre ella actúan dos fuerzas: la fuerza de gravedad F g que ejerce la Tierra sobre la pesa y la tensión T de la cuerda. 168 Como la resultante debe ser nula, geométricamente se debe cumplir que las fuerzas que actúan sobre el cuerpo en equilibrio, al ser graficadas de modo tal que el origen de cada fuerza se grafique a partir del extremo de otro, deben formar un polígono de fuerzas cerrado. Y esto debe ser así porque al ser la resultante nula, el origen de la primera fuerza (F 1 en este caso) debe coincidir con el extremo de la última (F 4 en este caso). Para el caso de las tres fuerzas en equilibrio siempre se forma un triángulo de fuerzas. Física A manera de ejemplo consideremos el caso de un bloque de 120 N que se encuentra en equilibrio suspendido de dos cuerdas en la forma que se indica. (B) TB 53° 53° (A) TA Haciendo el D.C.L. del bloque y aplicando la primera condición de equilibrio se demuestra que la tensión de la cuerda vertical es de 120 N. Haciendo el D.C.L. del nudo, construyendo el triángulo de fuerzas y resolviendo el triángulo notable de 37° y 53°, se deduce que las tensiones de las cuerdas A y B son de 90 N y 150 N respectivamente. 120 TB 120 53° TA 5k 4k 53° 3k 1. Ex. Admisión UNAC 2002-I El módulo de la fuerza F que establece el equilibrio del sistema que se muestra en la figura es de: A) B) C) D) E) F 267 N 200 N 180 N 150 N 800 N 2. Ex. Admisión UNAC 2002 Un cuadro de 3 N es sostenido por dos cuerdas delgadas situadas simétricamente. Si el ángulo que cada cuerda forma con la vertical es de 60°, halle la tensión común de las cuerdas. Cuerda 60° Cuerda A) 3 N B) 2 N 800 N C) 2 3 N D) 1,5 N E) 3 2 N Resolución: D.C.L. de cada polea: Resolución: Haciendo D.C.L. del cuadro: F F 60° 60° 200 N • Formando el triángulo de fuerzas: 200 N 60° 400 N 400 N 400 N Del gráfico: F = 200 N 3N T 60° 60° T 3N 800 N Del triángulo equilátero: T = 3N Rpta.: 200 Rpta.: 3 N 169 Física 3. Ex. Admisión UNI 2000-II En la figura, el bloque A está en equilibrio estático y reposa en un plano inclinado sin fricción. Sean T 1 y T2 las tensiones en la cuerdas derecha e izquierda, respectivamente, W el peso del bloque A y N la reacción normal del plano. Diga cuál de las siguientes figuras muetsra el diagrama del cuerpo libre del bloque A. Resolución: D.C.L. del bloque A: T2 T1 W N Del triángulo equilátero: T = 3 N Rpta.: A A P 30° A) T2 T1 N W C) T2 T1 B) W D) N E) T1 T1 T1 T2 N T2 W T2 N 1. Si el joven mantiene el bloque en equilibrio ejerciendo una fuerza de 50 N, determine la masa del bloque. Considere las poleas ideales y lisas. (g=10 m/s2) 3. En la figura mostrada, M=5 kg y cada una de las poleas es de 2 kg. Calcule la reacción en el piso. 2 (g=10 m/s ) F=200 N Rpta.: 10 kg 2. Para levantar un cuerpo de 200 N con un sistema de poleas, como se explica en la figura, la fuerza mínima expresada en N es: (Despreciar los pesos de las poleas). Rpta.: 50 N 4. Determine la masa del bloque si la fuerza F que mantiene el equilibrio del sistema es de 120 N. 2 (g=10 m/s ) F 37° F Rpta.: 50 N 170 Rpta.: 16 kg Física 5. Halle la tensión en la cuerda que sostiene a la esfera de 2 40 N de peso. (g=10 m/s ) 37° 9. En la figura se muestra una varilla homogénea de 3 kg en equilibrio. Si ésta se encuentra sostenida por una cuerda horizontal cuya tensión es de 40 N, ¿cuál es el valor de la fuerza que ejerce la articulación a dicha 2 varilla? (g=10 m/s ) Liso Articulación Rpta.: 50 N Rpta.: 50 N 6. Si la esfera mostrada pesa 120 N, determine el valor de la tensión de la cuerda horizontal que la mantiene en equilibrio. 10. En el gráfico se muestran dos bloques, A y B, que permanecen en equilibrio. Determine la deformación que experimenta el resorte ideal de k=10 N/cm. 2 (Además: mA=1 kg; mB=3 kg, g=10 m/s ) g A 53° B Rpta.: 160 N k 7. El cajón mostrado es de 600 N y se encuentra en reposo. Calcule la tensión en el cable ideal. Las superficies 2 son lisas. (g=10 m/s ) Rpta.: 2 cm 11. Se muestra un cuerpo de peso 2P en equilibrio. ¿Qué proposición es verdadera? 60° 30° 37° Rpta.: 360 N 8. El bloque mostrado es de 10 kg y se encuentra apoyado sobre una superficie lisa. ¿Cuál es el valor de la fuerza paralela al plano inclinado que se ejerce al blo2 que para mantenerlo en reposo? (g=10 m/s ) Rpta.: La tensión en 3 es 2P 12. Se muestra un cuerpo de peso 2P en equilibrio. ¿Qué proposición es verdadera? m 2 kg F 1 37° Rpta.: 60 N M 53° Rpta.: 20 N 171 Física 13. Cada uno de los cuerpos mostrados se encuentra en equilibrio. Determine el módulo de la fuerza de reac2 ción del piso sobre el cuerpo A. (g=10 m/s ) 15. Si el sistema se encuentra en equilibrio, calcule el módulo de la tensión en la cuerda si las esferas de 10 kg 2 cada una son idénticas. (Superficies lisas, g=10 m/s ) g B A 2 kg 127° 4 kg Rpta.: 20 N 14. Una persona sostiene una esfera sobre un plano inclinado. ¿En cuál de los casos se ejerce menos fuerza sobre la esfera? Desprecie el rozamiento. I. Rpta.: 60 N 16. Si el sistema se encuentra en equilibrio, determine la lectura de la balanza, siendo la fuerza que ejerce el líquido sobre el bloque de 8 kg de 60 j N. 2 (m=5 kg, g=10 m/s ) F1 Polea ideal II. F2 m Rpta.: En I 172 Rpta.: 60 N Física 1. Halle F para que el bloque permanezca en equilibrio. 4. Halle qué longitud está comprimido el resorte de constante k=5000 N/m para que la esfera de masa 80 kg se encuentre en equilibrio en la posición mostrada. 2 (g=10 m/s ) F R=200 N 12 N A) 3 N D) 8 N B) 4 N E) 10 N C) 5 N 2. Halle la lectura del dinamómetro si el bloque de 50 N de peso se encuentra en equilibrio. A) 10 cm B) 20 cm D) 40 cm E) N.A. C) 30 cm 5. En el sistema mostrado, halle la tensión en el cable 2 horizontal si m=8 kg. (g=10 m/s ) 53° Dinamómetro m A) 5 N D) 25 N B) 10 N E) 30 N C) 20 N 3. Si el bloque de 60 N de peso se encuentra en equilibrio, halle la tensión en la cuerda A. A) 80 N B) 60 N D) 50 N E) 100 N C) 70 N 6. El gráfico muestra a un bloque de 9 kg de masa, en reposo sobre un plano inclinado liso. Determine la fuerza de contacto sobre el bloque y el plano inclina2 do. (g=10 m/s ) (A) Liso 37° A) 5 N D) 20 N B) 10 N E) 25 N C) 15 N A) 72 N B) 54 N D) 48 N E) 40 N C) 36 N 173 Física 7. Si la barra de 80 N de peso se encuentra en equilibrio, halle la lectura del dinamómetro. 68° A) B) C) D) E) 8° 10. La esfera homogénea permanece en reposo apoyada sobre una superficie semiesférica y atada con una cuerda en donde la tensión es de 48 N. Calcular el módulo de la fuerza de reacción por parte de la superficie semiesférica. Desprecie el rozamiento. 60 N 90 N 160 N 80 N 120 N 53° A) 56 N D) 50 N 8. Si los tres bloques tienen la misma masa, calcule para el el equilibrio. (No existe rozamiento) B) 60 N E) 36 N C) 80 N 11. El resorte, de constante k=10 N/cm, sostiene a una esfera de 24 N de peso. Determine la deformación del resorte. 16° m m m Liso A) 30° B) 53° 60° C) 37° D) 53° 45° P 174 A) B) C) D) E) P 5 cm 4 cm 3 cm 2 cm 1 cm E) 45° 9. En el sistema mostrado en equilibrio, calcule el valor de . ( 0) A) B) C) D) E) 15° 45° 55° 75° 90° 12. Si el cuerpo A de 90 3 N de peso se encuentra en equilibrio, calcule el módulo de la fuerza F que hace posible esto. Desprecie el rozamiento. A 30° B F A) 90 3 N B) 90 N C) 80 N D) 80 3 N E) 50 N Física Ecología ¿DESAPARECERÁ EL DELTA DEL EBRO? Todas las zonas que se encuentran a menos de 1 metro por encima del nivel del mar podrían desaparecer en un plazo relativamente corto, debido a la subida del nivel del mar, consecuencia del cambio climático. Entre las zonas en peligro se encuentra el delta del Ebro. Así, lo explicaba el pasado jueves la ministra española de Medio Ambiente, Cristina Narbona, fijando unos pocos decenios como máximo para que dichas predicciones se cumplan. El Grupo Internacional de Expertos sobre el Cambio Climático (GIECC) había avanzado anteriormente las malas noticias. Según la ministra, la posible regresión del delta del Ebro es una preocupación prioritaria para Medio Ambiente, motivo por el cual está previsto un importante programa de inversiones para salvar la zona. La ministra añadió que el delta del Ebro no era la única zona en peligro. Muchas playas de Cataluña, Valencia y Murcia se encuentran en peligro de desaparición. España se encuentra entre los países más vulnerables al cambio climático, cosa que comporta aumento de la temperatura, disminución de los recursos hídricos, elevación del nivel del mar, etc. Narbona advirtió, además, del riesgo de inundación que corren zonas como Doñana y el Mar Menor. 175 • Alumno(a) Física : ______________________________________________________________ • Curso : ____________________________________________ • Aula : __________ • Profesor : ______________________________________________________________ 5. Si el sistema está en equilibrio, calcule T. (W=50 N) 1. Hacer el D.C.L. 37° A) B) C) D) E) T 37° F 2. Si el bloque de peso 15 N está subiendo a velocidad constante, halle F. Liso F A) B) C) D) E) 2 40 N 50 N 30 N 15 N 60 N 6. Determine el módulo F para levantar el bloque de 11 2 kg si cada polea es de 1 kg. (g=10 m/s ) 6N 8N 2N 10 N 4N A) B) C) D) E) 5 3. Si la esfera homogénea de peso 45 N está en equilibrio, halle la normal en la pared vertical lisa. 10 N 20 N 30 N 40 N 50 N F A) B) C) D) E) Liso 53° 45 N 75 N 60 N 15 N 30 N 7. Determine el módulo F para el equilibrio si las poleas 2 1 y 2 son de 1 kg y 2 kg respectivamente. (g=10 m/s ) 4. En el sistema en equilibrio, calcule T si W1=8 N, W2=6 N. 1 F T W1 176 W2 A) B) C) D) E) 7N 10 N 12 N 15 N 18 N 2 28 kg A) B) C) D) E) 60 N 20 N 80 N 30 N 50 N Física 8. Si la polea es de 1 kg determine la masa del bloque B, siendo, además, el módulo de la reacción del punto inclinado sobre el bloque A de 80 N. 10. Determinar el módulo de F tal que las esferas homogéneas se encuentren en equilibrio y las superficies son lisas. (g=10 m/s2) 16 kg A 53° 37° F A) B) C) D) E) 60 N 80 N 100 N 120 N 160 N B A) 1 kg D) 2,5 kg B) 1,5 kg E) 3 kg C) 2 kg 9. Si el bloque mostrado se encuentra en reposo, determine el valor de la fuerza de rozamiento. 200 N 50 N 100 N 60° 53° A) B) C) D) E) 15 N 20 N 25 N 30 N 35 N 20 GALAXIAS PARA CADA QUIEN Se calcula que en nuestra galaxia la Vía Láctea hay 100 mil millones de estrellas, lo cual es un número tan grande que aún siendo 5 mil millones de personas en el mundo, podríamos tener 20 estrellas cada quién. Pero eso no es todo, se calcula que hay también más de 100 mil millones de galaxias, por lo que cada quién podría tener al menos 20 galaxias con 2 billones de estrellas en total. 177 Física CLAVES AUTOEVALUACIÓN 1 2 3 4 5 6 A B B B A C 7 8 9 10 11 12 B D A C E C CLAVES AUTOEVALUACIÓN 1 2 3 4 5 6 C C A B D A 7 8 9 10 11 12 A E A D B D CLAVES AUTOEVALUACIÓN 178 1 2 3 4 5 6 A B D B B A 7 8 9 10 11 12 C A E C D B