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DINAMICA
En el tema de cinemática hemos llegado a describir los movimientos con bastante precisión, pero
preguntarnos acerca de la forma de producirlos, de modificarlos, etc. Para estudiar estos aspectos hay que
estudiar las fuerzas o interacciones entre los objetos. Ahora bien, la elaboración del concepto de fuerza
exige superar ciertas ideas de "sentido común". Por ello, vamos a comenzar el tema con un cuestionario
individual sobre este concepto, que revisaremos más adelante.
A.0 Realización individual de un cuestionario sobre el concepto de fuerza.
A.0bis Lectura de unos fragmentos de las ideas de Aristóteles acerca de la interpretación de los
movimientos de “objetos terrestres” y los movimientos de “objetos celestes”.
Expresadas, mediante el cuestionario, vuestras ideas sobre el concepto de fuerza, estudiaremos ahora cómo
concibe este concepto la física clásica de Newton.
1. LOS TRES PRINCIPIOS DE LA DINAMICA NEWTONIANA
A.1 Teniendo en cuenta lo que ya se ha estudiado sobre el movimiento en el tema de Cinemática, contestad
a las siguientes cuestiones. Después leed unos fragmentos de los diálogos de Galileo:
a) ¿Qué ocurriría si colocamos un objeto sobre una superficie inclinada perfectamente lisa y pulida y de
longitud "infinita"? ¿Cuál podría ser, en este caso, la dirección y sentido de la fuerza resultante que se
ejerce sobre el objeto?
b) Idem. suponiendo que el objeto desliza sobre un plano con inclinación hacia arriba.
c) Idem. suponiendo que la superficie fuera horizontal
A.2 Enunciado de los dos primeros principios o postulados de la Dinámica de Newton.
A.3 Volved a considerar las actividades del cuestionario de la A.0. En todas ellas ellas, describid
cualitativamente el movimiento, dibujad el vector aceleración y decid, teniendo en cuenta los principios de
la Dinámica de Newton, la dirección de la fuerza resultante que se ejerce actúa en cada caso sobre el objeto
móvil.
A.4 (refuerzo) Usad la animación informática elaborada por el Departamento de
física y química para trabajar la relación entre la fuerza resultante y las
magnitudes cinemáticas de un movimiento.
Ahora veremos cómo se relaciona el concepto de fuerza resultante con el concepto de fuerzas reales o
interacciones, completando los tres principios de la dinámica.
A.5 Considerad las siguientes situaciones: a) Una persona sosteniendo un libro con la mano; b) una pelota
que se hace botar sobre el suelo, en el instante del bote; c) Un boxeador golpeando un saco, en el momento
del golpeo. Tratad de identificar las fuerzas reales que se ejercen en estas situaciones.
A.6 Enunciado del tercer principio de la Dinámica Newtoniana y explicación de cómo se relacionan las
fuerzas reales con la fuerza resultante.
A.7 Considerad otra vez las actividades del cuestionario. a) Dibujad y explicad cada una de las fuerzas que
actúan sobre el objeto; b) Comprobad que el sentido de la suma de fuerzas actuando sobre el objeto
coincide con el de la fuerza resultante.
2. APLICACIÓN DE LOS PRINCIPIOS DE LA DINÁMICA AL ESTUDIO DEL MOVIMIENTO
DE OBJETOS
Como la fuerza resultante sobre un objeto es proporcional a su aceleración, si se conoce o se puede calcular
ésta es posible hacer una descripción completa de su movimiento. Veremos ahora algunos ejemplos de
aplicación de este concepto.
A.8 Sobre un objeto de 2Kg, apoyado en una pista de hielo e inicialmente en reposo, actúa una fuerza
constante de 20N durante 5s. Haced un estudio completo de su movimiento (descripción cualitativa, tablas
de valores, ecuaciones, gráficas,..) suponiendo el rozamiento despreciable. Calculad su posición y su
velocidad al cabo de los 5s.
A.9 A un cuerpo de 50Kg situado sobre un plano horizontal se le aplican fuerzas de tracción cada vez
mayores. Decid qué sucederá y especificad todas las fuerzas que se ejercen sobre el objeto en diferentes
supuestos.
A.10 Al cuerpo de la actividad anterior se le ha aplicado la serie fuerzas y han producido las aceleraciones
F(N)
10
20
30
40
50
60
70
80
a(m/s²)
0.0
0.0
0.0
0.0
0.1
0.3
0.5
0.7
que se indican en la tabla adjunta.
Obtened, en cada caso, la fuerza de
rozamiento que está actuando.
A.11 Realización en el laboratorio de experimentos semi-cualitativos usando sensores de fuerza y de
posición. Usad el sensor de fuerza para tirar de un objeto o empujarlo, construid las gráficas de la fuerza
aplicada y de la posición y analizad cualitativamente la correspondencia entre ambas gráficas.
A.12 Sobre un cuerpo en reposo, apoyado en una mesa, actúa una fuerza F constante. Estudiad su
movimiento. (Datos: m = 4Kg, F = 10N, fr = 6N)
A.13 Una avioneta de 10000Kg aterriza en una pista entrando en contacto con ella a 50m/s. Entre el aire
y el suelo, la fuerza de rozamiento total sobre el avión es de 25000N. a) Calculad la aceleración del
avión y escribid las ecuaciones de su movimiento. b) Calculad el tiempo que tarda en detenerse el avión
y la distancia recorrida.
3.
MOVIMIENTO DE OBJETOS SOMETIDOS A FUERZAS GRAVITATORIAS. LEY DE
GRAVITACIÓN UNIVERSAL
A.14 Imaginad un objeto que se lanza en un tiro horizontal desde una altura elevada. Utilizad los principios
de la Dinámica de Newton para dibujar razonadamente su trayectoria con distintos valores de la velocidad
de lanzamiento.
A.15 Ved la animación informática elaborada por el Departamento que
reproduce la situación planteada en la actividad anterior, como ejemplo de
reivindicación de la superación de la antigua barrera Cielo-Tierra.
A.16 Decid la dirección y sentido de la fuerza que actúa sobre la Luna y le hace describir órbitas circulares
con rapidez constante alrededor de la Tierra, identificando el par acción-reacción. Haced lo mismo respecto
de la fuerza que actúa sobre un cuerpo que está cayendo cerca de la superficie terrestre.
A.17 Emitid hipótesis respecto de los factores influyentes en la fuerza de interacción gravitatoria entre dos
objetos. Enunciado de la ley de gravitación universal.
A.18 Averiguad la fuerza con la que se atraen la Tierra y una piedra de 2Kg. Calculad las aceleraciones
respectivas de la piedra y de la Tierra (MT = 5.98·1024Kg, RT = 6370Km)
A.19
Usad la animación informática elaborada por el Departamento de
física y química para trabajar conceptos involucrados en la actividad anterior.
A.20 Utilizad la ley de gravitación y el segundo principio de la dinámica de Newton para deducir la
expresión que calcula la aceleración de la gravedad a=g en la superficie terrestre. Interpretad detenidamente
por qué no influye la masa de los objetos en el valor de g.
A.21 Obtened g a 100m, a 10Km, a 100Km y a 2000Km de altura. Comparad el peso de una persona de
60Kg a esas alturas.
4. RESUMEN DE LOS AVANCES PRODUCIDOS POR LA FÍSICA CLÁSICA RESPECTO DE
LA FÍSICA ANTIGUA.
A.22 A modo de resumen de lo tratado en los dos temas que hemos dedicado este curso al estudio del
movimiento, realizad un cuadro comparativo entre las antiguas ideas de Aristóteles y las ideas clásicas de
Newton sobre el mundo, la posición de la Tierra en el Universo y los movimientos.
A.23 Consultad en la página web del Departamento de física las sub-páginas dedicadas al estudio de los
conceptos clave de fuerza y de masa inercial y masa gravitatoria.