Transcript Física y Química 4º de ESO: guía interactiva FUERZAS Y PRESIÓN

FUERZAS Y PRESIÓN
Fuerzas y equilibrio
Física y Química 4º de ESO: guía interactiva
para la resolución de ejercicios
Departamento de Física y Química
 Tipos de fuerzas
 Resultante de varias fuerzas
 Sistemas en equilibrio
Índice
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
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
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
1
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5
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8
9
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
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
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
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Ayuda
- Llamamos fuerza a la interacción entre dos objetos, que puede ejercerse estando éstos en contacto o a
distancia, y que produce en los objetos que la soportan tres posibles efectos:
(a) hacerlos pasar del reposo al movimiento;
(b) cambiar su velocidad, aumentando o disminuyendo su valor, o cambiando su dirección o
(c) deformarlos.
- La fuerza es una magnitud vectorial, esto significa que para describirla hay que informar de su intensidad o
módulo, su dirección, su sentido y del punto de aplicación sobre el objeto. Las magnitudes que no
necesitan para ser definidas más que su módulo o valor numérico, acompañado de las unidades de medida, se
denominan escalares.
- La unidad internacional de fuerza es el newton (1N)
- Las fuerzas siempre actúan a pares: como son la consecuencia de la interacción entre dos objetos, cada
uno de ellos soporta una fuerza igual y de sentido contrario a la que ejerce sobre el otro.
- Algunos tipos de fuerzas que pueden observarse con frecuencia son:
(a) La fuerza de rozamiento: es una fuerza de contacto que surge cuando se intenta deslizar un cuerpo
sobre otro, y mientas están deslizando. Su dirección es la de la superficie de deslizamiento y su sentido es
siempre opuesto al movimiento.
(b) El peso o fuerza de gravedad: la ejerce entre la Tierra sobre todos los cuerpos que están bajo su
influencia.
(c) Las fuerzas electrostáticas entre cuerpos cargados eléctricamente, las magnéticas entre cuerpos que
están imantados y las electromagnéticas entre corrientes e imanes.
Ayuda
- Si sobre un objeto actúan varias fuerzas, éstas pueden sustituirse por una sola fuerza que
produzca el mismo efecto que todas ellas juntas. A esa fuerza se le denomina fuerza equivalente
o resultante, y el modo de calcularla es “sumar fuerzas”, aunque se trata de una suma vectorial,
diferente a la suma algebraica estudiada hasta ahora. Los casos posibles son:
(a) las fuerzas están alineadas (misma dirección): el módulo de la resultante se obtendrá
sumando o restando los módulos de las fuerzas, según tengan éstas sentidos iguales o distintos. La
dirección de la resultante será la misma que para todas y el sentido coincidirá con el de las fuerzas,
si son del mismo sentido, o con el de la fuerza de mayor valor, si son de distinto sentido.
(b) las fuerzas son concurrentes (distinta dirección): la resultante deberá calcularse aplicando la
regla del paralelogramo, utilizando después el cálculo geométrico o haciendo uso de una escala
para determinar el módulo de la resultante.
- Si el objeto sobre el que actúa una fuerza resultante tiene la libertad de girar en torno a un punto
o a un eje, entonces medimos el efecto giratorio de esa fuerza mediante una magnitud que
denominamos momento de la fuerza. Es una magnitud vectorial, cuyo módulo se calcula
multiplicando el valor de la intensidad de la fuerza por la distancia perpendicular de ésta al eje de
giro, y su sentido será positivo o negativo según provoque un giro en el sentido de las saetas del
reloj o en sentido contrario. El momento de la fuerza se mide en “newton multiplicado por metro”
(1N.1m)
M=F.d
-Para que un objeto está en equilibrio, son necesarias dos condiciones:
(a) la resultante de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo debe ser cero;
(b) la suma de los momentos que producen giro, respecto a un punto, en el sentido de las
agujas del reloj es igual a la suma de los momentos que producen un giro en el sentido contrario.
-Un objeto es más estable (tiende a posiciones de equilibrio) si la vertical de su peso cae dentro
dela base sobre la que se apoya. En caso contrario, el momento asociado al peso tiende a volcarlo.
1.
Clasifica las magnitudes siguientes como escalares o vectoriales: aceleración, velocidad,
temperatura, peso, masa y volumen.
Peso
Piensa para qué magnitudes
se necesita informar de la
dirección y el sentido y para
cuáles no.
Velocidad
Aceleración
MAGNITUDES VECTORIALES
Masa
Temperatura
Volumen
MAGNITUDES ESCALARES
2.
Señala las diferentes fuerzas de rozamiento que actúan sobre un coche que se mueve por
una carretera plana. ¿Cuáles de estas fuerzas de rozamiento facilitan el movimiento?
¿cuáles lo dificultan?. ¿Cómo se pueden aumentar las primeras? ¿Cómo se pueden evitar
o, al menos, reducir las segundas?
Fuerza de rozamiento con el aire.
Fuerza de rozamiento del suelo
sobre las ruedas.
Fuerza de rozamiento de las ruedas
sobre el suelo, ya que las fuerzas
siempre actúan por parejas.
La fuerza de rozamiento del suelo sobre las ruedas empuja al coche
hacia delante, excepto cuando frena. Es igual y de sentido opuesto a
la fuerza que hacen las ruedas sobre el suelo ya que al rodar lo
empujan hacia atrás.
Puede aumentarse utilizando motores de más potencia y mejorando
la adherencia de los neumáticos.
La fuerza de rozamiento con el aire, dificulta el movimiento del coche.
Puede reducirse dando al coche una forma más aerodinámica.
3.
Intenta explicar los hechos que aparecerán en pantalla, aplicando lo que has aprendido
sobre la fuerza de rozamiento.
Cuando una nave espacial regresa a la
Tierra, adquiere una gran velocidad.
La fuerza de fricción con la atmósfera
es muy elevada y la nave
se calienta mucho.
Las naves espaciales
se calientan mucho
cuando vuelven a la
Tierra.
Las fuerzas de rozamiento que se oponen
al movimiento son mayores
en la arena que en el mar.
Es más difícil empujar
una barca en la playa
que en el mar.
4.
Intenta explicar los hechos que aparecerán en pantalla, aplicando lo que has aprendido
sobre la fuerza de rozamiento.
Las fuerzas de rozamiento provocan un aumento de
temperatura en los cuerpos sobre los que actúan. En
una superficie lisa la fuerza de fricción que actúa al
rozar la cerilla no es lo suficientemente grande como
para aumentar la temperatura del fósforo de la cerilla
hasta hacerlo arder.
Es difícil andar
sobre hielo.
Es difícil encender
una cerilla en una
superficie lisa.
La fuerza de rozamiento entre los zapatos y el suelo
es la que nos permite andar. En el hielo esta fuerza
es muy débil, hay poca adherencia entre las
superficies y se hace difícil andar. Los animales que
habitan zonas heladas, (osos, renos..) tienen las
extremidades adaptadas para superar esta dificultad.
5.
Es muy importante para circular con seguridad en carretera, mantener siempre los
neumáticos en perfectas condiciones. ¿Qué aspectos de un neumático hay que vigilar y
por qué?
Un punto muy importante de la
seguridad del vehículo es
su"conexión" con el suelo.
Los neumáticos son los encargados
de asegurar en todo momento el
agarre del vehículo al suelo.
Este agarre se consigue con el
rozamiento entre la superficie del
suelo y la banda de rodadura del
neumático.
La fuerza de rozamiento depende
del estado del suelo, de la
profundidad del dibujo y de la
presión de inflado.
Además, el dibujo, en caso de suelo
mojado, permite expulsa el agua de
la superficie del neumático.
VIGILAR
ESTADO DEL
DIBUJO
PRESIÓN DE
INFLADO
6.
Un jugador de balonmano lanza la pelota que sigue una trayectoria como la de la figura.
Dibuja la fuerza o fuerzas que actúan sobre la pelota razonando las respuestas:
(a) en el momento de lanzar;
(b) en el aire.
Los objetos que
actúan sobre la
pelota son
2
1
1
El jugador y la
Tierra
2
La Tierra y el
aire
Fuerza de impulso
de la mano
Peso
Fuerza de
rozamiento con
el aire
7.
(a)
Considerando sólo dos objetos en cada apartado, dibuja y nombra las fuerzas mutuas que
existen entre ellos o “pares de acción y reacción” :
(a) una roca en el suelo;
(b) un futbolista dando una patada a un balón;
(c) una pelota cayendo verticalmente.
F suelo/roca
(c)
(b)
F Tierra/pelota
F balón/pie
F roca/suelo
F pie/balón
F pelota/Tierra
• Piensa: cada objeto hace una fuerza sobre el otro y ambas son de igual módulo y dirección,
pero de sentidos contrarios.
• Cada fuerza debe estar aplicada en un objeto distinto: en el objeto que la está soportando.
8.
Determina la resultante de las fuerzas en los casos siguientes:
30 N
50N
20N
40N
Piensa que son fuerzas
de la misma dirección
y sentidos diferentes
20 N
Módulo:
30 N + 40 N – 20 N = 50 N
Dirección horizontal, sentido
hacia la derecha
50 N
30 N
Módulo: 50 N – 20 N – 30 N = 0
Se equilibran entre sí
9.
Determina la resultante de las fuerzas en el caso siguiente:
60 N
30 N
30 N
30 N
30 N
R = 42,4 N
• Para calcular la resultante, primeramente sumamos las fuerzas de la misma
dirección.
• Ahora el sistema es de dos fuerzas perpendiculares, aplicamos la regla del
paralelogramo y dibujamos la resultante.
• Para calcular el valor de su módulo aplicamos el teorema de Pitágoras:
R  302  30 2  42,4N
10.
(a)
Determina gráficamente la fuerza resultante de dos fuerzas concurrentes de 15 N y 20 N,
cuyas direcciones forman entre sí ángulos de:
(a) 30º, (b) 60º, (c) 90º, (d) 120º y (e) 180º.
R=34N
(b)
(c)
R=30N
R=25N
8N
8N
(d)
(e)
R=18N
8N
8N
8N
R=5N
En todos los casos se dibujan
los vectores con una escala
adecuada y, en general, se
aplica la regla del
paralelogramo.
El módulo de la resultante se
halla por medición y aplicación
de la escala.
11.
Dibuja y calcula el módulo de las componentes perpendiculares de la fuerza de 5O N que
actúa sobre el carrito.
30 N
50 N
40 N
8N
• Traza dos perpendiculares desde el extremo de la fuerza a los dos ejes del sistema de
referencia respecto al cual vamos a hacer la descomposición.
• Los puntos de corte de dichas perpendiculares con los ejes determinan los extremos de
las componentes de la fuerza. Dibuja dichas componentes.
• Con la ayuda de la escala (lado de un cuadradito: 4 N) calcula los módulos de las
componentes.
12.
Explica por qué está en equilibrio un florero colocado sobre una mesa en reposo.
Los cuerpos que actúan sobre el florero son: La Tierra y la mesa.
La Tierra ejerce una
fuerza sobre el florero
vertical y hacia abajo, que
es el peso del florero.
La mesa ejerce una fuerza
sobre el florero vertical y
hacia arriba, para sujetar
al florero.
Las dos fuerzas son del mismo valor y dirección y de sentidos contrarios.
Están aplicadas sobre el mismo objeto, por tanto su resultante es nula y
el florero está en equilibrio.
13.
Determina gráficamente la fuerza que equilibra los sistemas de fuerzas del ejercicio 10.
(a)
(b)
R=30N
(c)
F=25 N
R=34N
F=34 N
R=25N
F=30 N
R total = 0
8N
(d)
F=18 N
R=18N
8N
R total = 0
8N
R total = 0
(e)
R=5N
F=5 N
8N
R total = 0
8N
R total = 0
Podemos sustituir ahora cada
sistema de fuerzas por la
resultante de cada uno de ellos
calculada en el ejercicio 10.
La nueva fuerza que
equilibrará a cada resultante
será de igual módulo y
dirección que ella y de sentido
opuesto.
14.
¿Cual es el peso de la lámpara de la figura?
¿Qué cuerpos ejercen
fuerza sobre la lámpara?
Dibuja el peso de la
lámpara; puedes hacer
que tenga el punto de
aplicación común con
las tensiones.
Halla gráficamente la
resultante de las dos
tensiones (regla del
paralelogramo) y
razona cuánto debe
valer el peso.
Los cuerpos que actúan
sobre la lámpara son la
Tierra y las cuerdas que
la sujetan; éstas hacen
unas fuerzas llamadas
tensiones, de valor 10
N cada una.
10 N
R=10 N
120º
10 N
P=10 N
Las dos tensiones
equivalen a una fuerza
vertical y hacia arriba de
10 N (*). El peso de la
lámpara también será de
10 N, para que la
resultante total sea nula
y haya equilibrio.
(*) Como se forman dos triángulos equiláteros,
todos los lados, entre los que está la resultante, tienen la misma longitud: 10 N.
15.
Explica por qué el pomo de una puerta está lejos de las bisagras.
Recuerda la expresión del momento de una fuerza
M = F.d
Si se necesita un momento de valor fijo para abrir la puerta
(hacerla girar con eje en las bisagras )
¿cómo es la relación entre la fuerza que hay que hacer y la distancia del
eje a la dirección de la fuerza?
Fuerza y distancia son inversamente proporcionales; por tanto, cuanto más
lejos de las bisagras se aplique la fuerza, menor deberá ser su valor para
producir el mismo efecto.
16.
1m
Intentamos equilibrar una tabla con pesas.
(a) Calcula el momento de la fuerza de 4 N respecto a O.
(b) Calcula el momento de la fuerza de 6N respecto a O.
(c) ¿Está la tabla en equilibrio? Si no es así ¿hacia dónde se balanceará?
(d) ¿Qué fuerza se debe hacer en el punto X para equilibrar la tabla?
1m
O
X
3N
# Contesta a (a).
3m
6N
# Contesta a (d).
# Contesta a (b).
M=F x d
M=4 N x 3 m= 12 N.m
(sentido de las agujas del reloj)
4N
M=F x d
M=6 N x 1 m= 6 N.m
(sentido contrario a las agujas del reloj)
# Contesta a (c).
Tendrá que ser una fuerza que produzca un
momento de 6 N.m y sentido contrario a las
agujas del reloj
F
6N.m
 3N
2m
Al ser los momentos calculados de
distinto valor, no hay equilibrio. Se
balanceará en el sentido de las
agujas del reloj, pues hay un momento
mayor en ese sentido.
17.
Un hombre de 73,2 kg de masa se coloca a 1,5 m del punto de apoyo de un balancín.
¿Dónde se debe colocar una mujer de 57,5 kg para equilibrar el balancín?
En primer lugar debemos
calcular el peso de cada
persona.
1,5m
P1  73,2 kg  9,8 (N / kg)  717,4 N
d
P2  57,5 kg  9,8 (N / kg)  563,5 N
P1
P2
1076,1 (N  m)  563,5 (N)  d (N  m)
1076,1(N  m)
d
 1,9 m
563,5 (N)
Si los momentos de cada fuerza
respecto al punto de apoyo son
iguales, habrá equilibrio
M1  717,4 N  1,5 m  1076,1(N  m)
M2  563,5  d (N  m)
18.
Analiza las tres situaciones de equilibrio de las figuras en función del momento que genera
el peso.
O
El giro devuelve el cuerpo
a su posición inicial:
equilibrio estable.
O
El giro hace volcar al
cuerpo:
equilibrio inestable
O
El cuerpo permanece en
la misma posición:
equilibrio neutro
Dibuja los tres objetos desplazados ligeramente de su posición de equilibrio.
Dibuja el peso y razona hacia donde hará girar el objeto el momento que
genera dicha fuerza respecto al punto de apoyo O.