Versión Estudiante

El equilibrio y las leyes de Newton

Ricardo Gavilanes
Ecuador - Puerto Ayora- Galápagos
Colegio Nacional Galápagos

Proyectos: 1

Área

Ciencias Naturales - Física

Edad

15-16

Introducción

Muchas veces nos confundimos entre lo que es Estática y lo que es Dinámica, por eso antes de empezar con el estudio del equilibrio de cuerpos es necesario diferenciar entre dichas ramas de la Mecánica. La Estática estudia el equilibrio de los cuerpos, es decir, aquellos cuerpos que se encuentran tanto en reposo como en movimiento con velocidad constante; mientras que la Dinámica estudia los cuerpos acelerados, aunque se puede establecer el equilibrio dinámico mediante la introducción de las fuerzas de inercia.

Para detallar y explicar la parte teórica tomaremos algunos ejemplos de la vida cotidiana en los cuales se aplican principios físicos, como:

  • Equilibrio en el vuelo de un esquiador
  • ¿Por qué vuela el avión?
  • ¿Por qué no se cae la Torre Pisa?
  • Fuerzas y principios físicos en la caída de un gato
  • Equilibrio en el vuelo de un Bumerán
  • Equilibrio en el baile
  • Equilibrio de una plataforma sostenida por una columna

Idealizaciones: Los modelos o idealizaciones se utilizan en el estudio del equilibrio con la finalidad de simplificar la aplicación de la teoria. Se definirá algunas de las idealizaciones más importantes.

  • Partícula: Una partícula posee masa pero de tamaño poco significativo.
  • Fuerza Concentrada: Una fuerza concentrada representa el efecto de una carga la cual se supone que actúa en algún punto de un cuerpo, siempre y cuando el área sobre la cual se aplica la carga sea relativamente pequeña comparada con el tamaño del cuerpo.

Leyes del Movimiento de Newton: El tema de la mecánica del cuerpo rígido se encuentra basado en las tres leyes del movimiento de Newton, cuya validez se sustenta en la observación experimental. Estas leyes, pueden definirse brevemente de la forma siguiente:

  • Primera Ley: Una partícula que se encuentra originalmente en reposo, o moviéndose en línea recta con velocidad constante, permanecerá en este estado siempre y cuando una fuerza desbalanceada no actúe sobre ésta.
  • Segunda Ley: Una partícula sobre la cual actúa una fuerza desbalanceada F experimenta una aceleración a que posee la misma dirección que la fuerza y una magnitud que es directamente proporcional a la misma. Si F se aplica a una partícula de masa m, esta ley puede expresarse matemáticamente como

F = ma

  • Tercera Ley: Las fuerzas de acción y repulsión entre dos partículas son iguales en intensidad, opuestas en sentido y colineales.

Estabilidad y Equilibrio

Un cuerpo en equilibrio estático, si no se le perturba, no sufre aceleración de traslación o de rotación, porque la suma de todas las fuerzas o la suma de todos los momentos que actúan sobre él son cero. Sin embargo, si el cuerpo se desplaza ligeramente, son posibles tres resultados:

  1. el objeto regresa a su posición original, en cuyo caso se dice que está en equilibrio estable;
  2. el objeto se aparta más de su posición, en cuyo caso se dice que está en equilibrio inestable; o bien
  3. el objeto permanece en su nueva posición, en cuyo caso se dice que está en equilibrio neutro o indiferente.                 Imagen: http://cpreuni.blogspot.com/2010/04/equilibrio-mecanico.html

En general, mientras más grande sea la base y más abajo esté el centro de gravedad, será más estable el objeto.

Torque de una Fuerza

Cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. La propiedad de la fuerza para hacer girar al cuerpo se mide con una magnitud física que llamamos torque o momento de la fuerza. Se prefiere usar la palabra torque y no momento, porque esta última se emplea para referirnos al momento lineal, momento angular o momento de inercia, que son todas magnitudes físicas diferentes para las cuales se usa una misma palabra.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos14/equilibriocuerp/equilibriocuerp.shtml#ixzz3FiK9ujhc

Principios de Equilibrio

  1. Condiciones Generales de Equilibrio
  1. La suma algebraica de las componentes (rectangulares) de todas las fuerzas según cualquier línea es igual a cero.
  1. La suma algebraica de los momentos (torques o torcas) de todas las fuerzas respecto cualquier línea (cualquier punto para fuerzas coplanares) es igual a cero.

Diagrama del cuerpo libre, que es un dibujo mostrando:

  1. el cuerpo solo, aislado de otros cuerpos, y
  2. todas las fuerzas externas que se ejercen sobre dicho cuerpo.

En ese diagrama no aparecerán las fuerzas ejercidas por el cuerpo, sino las que se ejercen sobre él, y tampoco incluirá fuerzas interiores. Se ha dicho que las fuerzas externas son en general las debidas a la atracción de la Tierra, o las ocasionadas por contacto. Esas fuerzas son por tanto usualmente la de gravitación, más el número de contacto entre el cuerpo dado y otros cuerpos.

Leer más:

http://www.monografias.com/trabajos14/equilibriocuerp/equilibriocuerp.shtml#ixzz3Fg8Cysgu

Finalmente quedará demostrado que la Física no es solamente abstracta, sino que es también práctica y ocurre en la vida diaria, y el estudio del equilibrio es un paso previo para el estudio de la Dinámica y otras ramas de la Física. Por tanto, el estudiante deberá responder estas preguntas: ¿De qué manera ayudan las leyes de Newton a explicar la condición de equilibrio? ¿Cuál es el valor de la suma de fuerzas externas aplicadas a un cuerpo en equilibrio estático? ¿Por qué es necesario realizar un Diagrama de Cuerpo Libre (DCL) antes de resolver un problema de equilibrio?¿Cuándo aplico la condición de equilibrio translacional o rotacional? ¿Los conocimientos sobre el equilibrio de los cuerpos, son solamente algo teórico o algo que pueden los seres humanos usar para su bienestar?

.


Tarea

Sesión 1: (duración 1 hora) – conceptualización

Requisito: Conocimiento de magnitudes vectoriales y su representación.

No.

Tarea

Calif.

1

Responda:

* ¿Qué es la fuerza y como se representa?

*¿Por qué es imposible aislar un cuerpo de otro cuerpo en la Tierra?

*Mencione tres ejemplos de fuerzas.

*¿Si se triplica el valor de la masa cual es el valor de la Fuerza? ¿Si se duplica el valor de la masa cual es el valor de la aceleración?

2

2

Indique:

*¿Cuándo un cuerpo se encuentra en equilibrio estático?

*¿Cuándo un cuerpo o partícula  se encuentra en equilibrio cinético o dinámico?

2

3

*¿Cuándo una partícula se encuentra en equilibrio?

*¿Cuáles son las dos condiciones para que una partícula se encuentre en reposo?

* ¿Cómo se expresa la solución algebraica de un sistema de tres o más fuerzas? 

* Dibuje el diagrama de cuerpo libre para los siguiente sistema de fuerzas:

        

Imágenes tomadas del texto Física / Jerry D. Wilson / 2da. Ed. /Prentice Hall

6

Sesión 2: (duración 2 horas) – aplicación

Requisitos: Razones trigonométricas, relaciones entre ángulos, resolver ecuaciones de primer grado.

No.

Tarea

Calif.

1

Resolver el sistema de la gráfica adjunta por alguno de los métodos explicado en los vídeos (el peso del semáforo es 100 N).

4

2

Obtenga el valor de las tensiones en la cuerda siguiendo el proceso indicado en el video (nota: observe la ubicación del ángulo)

4

3

La palanca de la figura pesa 40 N. Demuestra que el valor, ubicación y dirección de la Fuerza que mantiene en equilibrio el sistema es:105.8N, 0.68 L, desde el extremo derecho con un ángulo de 49º.

Recursos

Actividades a realizar por sesión

Sesión 1: (duración 1 hora) – conceptualización

No.

Actividades

Dirección del recurso

1

Revise los vídeos y realice la tarea asignada para esta actividad.

https://www.youtube.com/watch?v=ItRO36qJjJg

https://www.youtube.com/watch?v=5oIEL2IFL0E

https://www.youtube.com/watch?v=q8qKMLyTxpM

 

2

Revise la información y realice la tarea asignada para esta actividad.

http://es.slideshare.net/JimmyHdzM/equilibrio-rotacional-y-traslacional

 

3

Revise los vídeos y realice la tarea asignada para esta actividad.

https://www.youtube.com/watch?v=fR728CavoGI

 

Sesión 2: (duración 2 horas) – aplicación

No.

Actividades

Dirección del recurso

1

Revise los vídeos y realice la tarea asignada para esta actividad.

https://www.youtube.com/watch?v=Zb9c3LKd1BI

https://www.youtube.com/watch?v=JvxIjWvewcs

2

Revise el vídeo y realice la tarea asignada para esta actividad.

https://www.youtube.com/watch?v=qU7HRo_l7wc

3

Revise los vídeos y realice la tarea asignada para esta actividad.

https://www.youtube.com/watch?v=4Fr1dx2gJHE

https://www.youtube.com/watch?v=ryq9qLsSB2k

https://www.youtube.com/watch?v=fexYrnOA9cQ

Sesión 3: (duración 1 horas) – reflexión

No.

Actividades

Dirección del recurso

1

Revise los vídeos sobre las aplicaciones de la física en la vida y realice la tarea asignada para esta actividad.

Ejemplo:

https://www.youtube.com/watch?v=MvSsHyMNWRw

https://www.youtube.com/watch?v=0NvhTI2CBs0

 

 


Evaluación

Sesión 1: (duración 1 hora) – conceptualización - calificación asignada 10 puntos

No.

Destreza

Indicador

Estándar

1,2,3

El estudiante estará en capacidad de identificar cada una de las fuerzas presentes sobre un cuerpo en problemáticas diversas, a partir de  la realización del DCL.

El estudiante, reconoce las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y las dibuja usando Diagramas de Cuerpo Libre.

El estudiante identifica (rotula)  las diferentes fuerzas actuantes, ubica los vectores en su justa dimensión a escala. (no necesita indicar componentes)

Sesión 2: (duración 2 horas) – aplicación - calificación asignada 10 puntos

No.

Destreza

Indicador

Estándar

1,2,3

El estudiante estará en capacidad de relacionar el equilibrio de un cuerpo con las fuerzas que actúan sobre él, a partir de la identificación e interpretación de las leyes de Newton.

El estudiante reconoce las fuerzas y torcas actuantes sobre un cuerpo, y elabora un diagrama de cuerpo libre, aplica las condiciones de equilibrio translacional y rotacional.   

El procedimiento debe incluir: diagrama de cuerpo libre, formulación de las dos condiciones de equilibrio, resolución de la(s) ecuación(es) para hallar las componentes y la fuerza neta con el número de cifras significativas apropiadas.

Sesión 3: (duración 1 horas) – reflexión - calificación asignada 10 puntos

No.

Destreza

Indicador

Estándar

1

El estudiante estará en capacidad de analizar reflexivamente algunas aplicaciones y consecuencias de las leyes de Newton, con base a la descripción de situaciones cotidianas que involucran la existencia de fuerzas.

El estudiante explica como los conocimientos de equilibrio son aplicables a la vida diaria, además argumenta su participación.

El estudiante menciona al menos tres aplicaciones del equilibrio, hay muestras claras de su participación en el grupo.

 


Conclusión

Conclusión

En conclusión las leyes de Newton nos ayudan a explicar el equilibrio de los cuerpos, al permitir conceptualizar y definir el equilibrio de los cuerpos como un par de fuerzas acción – reacción. 

Además, para un qué un cuerpo o partícula se encuentre en equilibrio de traslación debe cumplir que la sumatoria de todas las fuerzas externas que actúan sobre debe ser igual a cero, y para hallarse en equilibrio de rotación, siempre cumplirá que la sumatoria de las torcas o momentos que actúan sobre él es cero.

Para resolver los sistemas de fuerzas en equilibrio, se debe considerar los siguientes pasos:

  • Diagrama espacial del problema (dibujo tal como se presenta la situación)
  • Diagrama de cuerpo libre
  • Aplicación de las ecuaciones de equilibrio traslacional (y/o rotacional)
  • Resolución

 Por último, el equilibrio estático ya sea traslacional o rotacional está presente en la mayoría de nuestras actividades diarias, desde que nos levantamos y flexionamos nuestro cuerpo para levantarnos de la cama acomodando nuestro centro de gravedad, cuando conducimos un carro y movemos el volante aplicamos una torca, el edificio, el puente, etc., construidos en la ciudad que vivimos es un ejemplo de equilibrio de fuerzas, y así por lo demás.  


Notas

Créditos: Ricardo Gavilanes Yánez

Institución: Colegio Nacional Galápagos

 

 


Creditos

Ricardo Gavilanes del Proyecto creado 16 de Octubre de 2014

WebQuest creada por Ricardo Gavilanes y alojado en la herramienta de
Gestión de Proyectos de Eduteka (http://www.eduteka.org/ProyectosClase.php)
Última modificación


blog comments powered by Disqus

URL:


Etiquetas:


Inicio | Registro | Quienes Somos | Edukatic | Políticas de Uso | Uso de datos personales | Universidad Icesi | RSS

Copyright: eduteka 2001-2017 | Desarrollado por Boris Sánchez Molano | Icons made by Freepik from www.flaticon.com