La Ciencia del Movimiento
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ETAPA<br />
1<br />
FÍSICA: LA CIENCIA<br />
DE LAS MEDICIONES
CONTENIDO<br />
1.1 Introducción a la Física<br />
1.2 Historia de la Física<br />
1.3 Medición y cantidad física<br />
1.4 Sistema Internacional de Pesos y Medidas<br />
1.5 Conversión de unidades mediante factor de<br />
conversión<br />
1.6 Magnitudes cinemáticas fundamentales:<br />
distancia, desplazamiento, rapidez, velocidad,<br />
aceleración, masa y peso<br />
1.7 Los instrumentos de medición<br />
1.8 Normas de seguridad al utilizar instrumentos<br />
de medición<br />
1.1 Introducción a la Física<br />
<strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong> es el título que le hemos conferido<br />
a esta obra, en la cual nuestra intención es dejar en el<br />
estudiante una concepción clara de las bases científicas que<br />
rigen este fenómeno ampliamente estudiado por la Física<br />
y que tienen que ver con muchas de sus ramas y con otras<br />
disciplinas, tanto científicas como no científicas, pues es un<br />
hecho que el movimiento forma parte de nuestras vidas en<br />
todos los aspectos que podamos imaginarnos.<br />
Como dijimos, el movimiento forma parte <strong>del</strong> estudio de<br />
la Física, pero ¿qué es la Física? ¿Qué estudia la Física en general?<br />
<strong>La</strong> Física estudia la materia, la energía, el espacio, el<br />
tiempo y sus interacciones. Obviamente, estos son los objetos<br />
de estudio de la Física, mas ello implica una gran can-
4 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
tidad y variedad de fenómenos, desde el conocimiento de las características <strong>del</strong><br />
movimiento de una hoja de un árbol que cae libremente al suelo, hasta el estudio<br />
de las partículas que constituyen la materia en su composición elemental, como<br />
los electrones, los cuarks, los neutrinos, por mencionar algunos ejemplos, sin olvidar<br />
el movimiento de los planetas, las estrellas y los cuerpos celestes en general.<br />
Por esta razón, la Física se ha clasificado en ramas para sistematizar su desarrollo<br />
y hacer más accesible el estudio académico para quienes deseen introducirse<br />
en esta fascinante disciplina científica.<br />
En general, se ha dado por clasificar a la Física en dos grandes ramas en cuanto<br />
a sus alcances a nivel perceptual y sensorial, además de temporal. A saber, se<br />
conoce como Física clásica la parte de la Física que se desarrolló desde las épocas<br />
antiguas con Aristóteles (384-322 a.C.), como su representante principal, hasta<br />
mediados <strong>del</strong> siglo xix, con personajes como Isaac Newton (1642–1727), Michael<br />
Faraday (1791–1867), James Clerk Maxwell (1831–1879), entre otros. Durante este<br />
periodo, la mayor parte de los conocimientos adquiridos se desarrollaron tomando<br />
como principal fuente de información alguno de los sentidos, es decir, la vista, el<br />
oído, el tacto, etcétera. De ahí nacen las subdivisiones de la Física clásica, por ejemplo,<br />
Óptica, Acústica, Termodinámica y Mecánica, las cuales estudian los fenómenos<br />
de la naturaleza relacionados con los sentidos, como el sonido, la luz, el calor,<br />
el movimiento de los cuerpos, etcétera. Además, cuando se reunió la infraestructura<br />
conceptual suficiente para su estudio, se desarrollaron también la electricidad<br />
y el magnetismo. Con el tiempo se empezó a profundizar en el estudio de la estructura<br />
de la materia y el comportamiento de la misma a velocidades comparables<br />
a la de la luz (300 000 km/s), sin embargo, se observó que las leyes de la Física<br />
clásica no cubrían los requisitos para explicar estos nuevos estudios. Así se inició, a<br />
finales <strong>del</strong> siglo xix, lo que se conoce como Física moderna, y surgieron otras ramas<br />
de estudio, como la Física Cuántica, la Relatividad, la Física Atómica, entre otras.
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 5<br />
El siguiente cuadro nos permite hacer una descripción más clara de la clasificación<br />
de la Física.<br />
Mecánica<br />
Acústica<br />
Física clásica<br />
Estudio <strong>del</strong> movimiento de los<br />
cuerpos en general.<br />
Estudio <strong>del</strong> sonido y sus<br />
características.<br />
Física Relativista<br />
Física Cuántica<br />
Óptica Estudio de la luz y su propagación. Física Atómica<br />
Termodinámica<br />
Electromagnetismo<br />
Estudio <strong>del</strong> calor y sus<br />
transformaciones a otras formas<br />
de energía.<br />
Estudio de las cargas eléctricas,<br />
los campos magnéticos y sus<br />
interacciones.<br />
Física Nuclear<br />
Física de las<br />
partículas<br />
Física <strong>del</strong> Plasma<br />
Física moderna<br />
Estudio <strong>del</strong> movimiento de los<br />
cuerpos a velocidades comparables<br />
con la de la luz.<br />
Estudio <strong>del</strong> movimiento de partículas<br />
en su comportamiento ondulatorio o<br />
<strong>del</strong> movimiento de las ondas en su<br />
comportamiento como partículas.<br />
Estudio <strong>del</strong> átomo, su composición y<br />
propiedades.<br />
Estudio <strong>del</strong> núcleo atómico, sus<br />
componentes y fuerzas involucradas.<br />
Estudio de la clasificación de todas las<br />
partículas que componen la materia<br />
hasta conformar un mo<strong>del</strong>o estándar.<br />
Estudio <strong>del</strong> plasma como un estado de<br />
la materia de gran energía.<br />
Viendo esta clasificación desde otro punto de vista, podemos decir que la Física clásica<br />
tiene un campo de observación limitado a las percepciones sensoriales <strong>del</strong> hombre,<br />
mientras que en la Física moderna es más amplio, más allá <strong>del</strong> límite sensorial <strong>del</strong><br />
ser humano. De tal forma que la primera podría verse como una rama de la segunda,<br />
como se observa en la figura 1.1.<br />
Física clásica<br />
Física moderna<br />
■ Figura 1.1 El campo de estudio de la Física clásica podría considerarse dentro de la Física moderna.<br />
Como podemos observar, la Física estudia una gran diversidad de fenómenos, y si consideramos<br />
tanto los que estudia la Física clásica como la moderna, parecieran ser aún<br />
más. Sin embargo, con excepción de los fenómenos <strong>del</strong> mundo microscópico y de los<br />
fenómenos <strong>del</strong> movimiento de partículas a velocidades cercanas a la de la luz, la Física<br />
clásica describe muy convenientemente nuestro entorno habitual. <strong>La</strong>s diferentes ramas<br />
de la Física se relacionan entre sí mediante una serie de principios o leyes generales<br />
básicas que las integran de manera coherente y no como un cúmulo de hechos aislados,<br />
sin conexión entre ellos. Estos principios básicos se aplican al estudio <strong>del</strong> movimiento<br />
de los cuerpos en general y posteriormente se extienden a las demás áreas de la Física.
6 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Otro aspecto importante en el desarrollo de la Física es su método de estudio, es<br />
decir, el método científico experimental. A Galileo Galilei (1564-1642) se le atribuye<br />
la implementación de la forma de investigación que se utiliza en la actualidad en<br />
muy diversos campos <strong>del</strong> conocimiento. No abundaremos en su descripción, pues ya<br />
en cursos previos habrás visto más a fondo de qué se trata, sin embargo, queremos<br />
decirte que en lo que respecta a la Física, el método científico experimental ha sido<br />
una herramienta sumamente valiosa, ya que con su aplicación se han logrado asombrosos<br />
avances en la generación <strong>del</strong> conocimiento que han dado lugar, además, a su<br />
aplicación en el desarrollo de tecnologías de las que hoy somos usuarios habituales,<br />
sin recapacitar que tras de su diseño existe la aplicación de uno o varios conocimientos<br />
científicos aportados por la Física.<br />
1.2 Historia de la Física<br />
Es conocido que en la Antigüedad existieron diversas culturas que tuvieron un avance<br />
tecnológico destacado para su época, pero para simplificar la historia de la Física,<br />
empezaremos el estudio desde el mo<strong>del</strong>o aristotélico. Aristóteles trató de explicar<br />
cada uno de los aspectos relevantes de la naturaleza y de la vida y es considerado el<br />
primero de los enciclopedistas.<br />
En el pensamiento de Aristóteles se observa que el propósito de su indagación era<br />
encontrar el orden de todas las cosas, formulando un gran universo lógico, en donde<br />
cada cosa “conoce” su lugar y tiende a permanecer ahí.<br />
El filósofo griego planteó su concepción <strong>del</strong> mundo retomando la teoría de los<br />
cuatro elementos superpuestos dentro de una esfera sublunar, a saber: tierra, agua,<br />
aire y fuego, propuesta por Empédocles, y agregó un quinto elemento, el éter.<br />
Aristóteles llamaba movimiento natural al que realizaba un objeto para regresar<br />
a su estado natural (que era el reposo), dentro de la esfera que le correspondía. Por<br />
el contrario, al movimiento generado por un factor externo, al que denominó fuerza,<br />
le llamó movimiento violento.<br />
En lo que respecta a la caída de los cuerpos, Aristóteles decía que los más<br />
pesados caían más rápido, porque contenían mayor cantidad <strong>del</strong> elemento tierra (que<br />
posteriormente Newton refutó con sus leyes).<br />
Después surgió el mo<strong>del</strong>o clásico (mecanicista o newtoniano), con el cual Galileo<br />
sentó las bases de la llamada “revolución científica” al proponer que todo conocimiento<br />
debería de establecerse por medio de la experimentación, reproduciendo<br />
todo fenómeno de una manera controlada.<br />
A su vez, Galileo Galilei mostró argumentos, con base en sus observaciones <strong>del</strong><br />
Sol, a favor <strong>del</strong> movimiento de la Tierra.<br />
Johannes Kepler (1571-1630) demostró que los planetas giran describiendo una<br />
elipse y que el Sol se encuentra en uno de los focos.<br />
En lo referente al mo<strong>del</strong>o de la Física moderna, se demostró que la Mecánica<br />
clásica no siempre es aplicable, como en el caso <strong>del</strong> movimiento de las partículas a<br />
velocidades comparables a la de la luz, así como la investigación <strong>del</strong> mundo microscópico<br />
de los átomos, electrones, protones y otras partículas submicroscópicas, lo<br />
cual impulsó el desarrollo de la Física moderna.<br />
A partir de entonces, surgieron destacados científicos que le dieron un gran impulso<br />
a la ciencia: Albert Einstein, Max Karl Ernst Ludwig Planck, entre otros, quienes<br />
propusieron nuevas formas de explicar dichos fenómenos.
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 7<br />
Por ejemplo, la teoría cuántica se encarga de estudiar el concepto de unidad cuántica<br />
de la energía (quantum) o paquetes de energía. <strong>La</strong> revolución de esta teoría consiste<br />
en descubrir que la energía existe en forma discreta y no en forma continua. Uno de los<br />
pioneros de esta teoría fue el ya mencionado físico alemán Max Planck (1858–1947).<br />
<strong>La</strong> teoría de la relatividad fue promulgada por el físico más grande <strong>del</strong> siglo<br />
pasado, el científico alemán Albert Einstein (1879-1955), y consiste en analizar los<br />
fenómenos para cuerpos cuya velocidad sea comparable a la de la luz, en los cuales<br />
las leyes de la Física clásica ya no se cumplen. Esto no significa que la Física de<br />
Newton y Galileo no sirva. Simplemente sucede que dichas leyes tienen su límite (en<br />
este caso, la velocidad de la luz).<br />
<strong>La</strong> dilatación <strong>del</strong> tiempo establece que si un cuerpo tiene una velocidad comparable<br />
a la de la luz, por ejemplo, 280 000 km/s, entonces viaja a través <strong>del</strong> tiempo<br />
hacia el futuro. Cualquier reloj sincronizado en movimiento se atrasa respecto a otro<br />
que está en reposo.<br />
En resumen, las ideas predominantes en la historia de la Física son:<br />
1. Mo<strong>del</strong>o aristotélico. <strong>La</strong> idea de orden, desarrollada por Aristóteles, predominó<br />
hasta el siglo xvi, es decir, en la Antigüedad la ciencia consistía en<br />
encontrar el orden de las cosas.<br />
2. Mo<strong>del</strong>o clásico, mecanicista o newtoniano. <strong>La</strong> idea de una causa mecánica<br />
surge a partir de Galileo y Newton. Entonces, la ciencia se enfocó a la búsqueda<br />
de la causa mecánica de los fenómenos observables. Esta idea predominó<br />
en los siglos xvii, xviii y xix. A la Física basada en esto se le conoce<br />
como Física clásica.<br />
3. Mo<strong>del</strong>o moderno. <strong>La</strong> idea de un comportamiento probabilístico se desarrolló a<br />
partir <strong>del</strong> inicio <strong>del</strong> siglo xx y señala, como concepto primordial, la probabilidad<br />
de que la materia, a nivel microscópico, tiene cierto comportamiento. Junto<br />
a esta idea se consideran las variaciones de algunas magnitudes físicas cuando<br />
las partículas se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Estas magnitudes<br />
(longitud, masa, tiempo, entre otras) eran invariables en la Física clásica.<br />
1.3 Medición y cantidad física<br />
Como se mencionó, fue Galileo Galilei quien introdujo el método científico experimental<br />
en el estudio de los fenómenos físicos. Pasó de ser un simple observador<br />
pasivo de los fenómenos que le interesaban, a un observador-reproductor, esto<br />
es, intentó reproducir el fenómeno observado para analizarlo más detenidamente<br />
y obtener un conocimiento más profundo. Sin embargo, junto con ello se vio en la<br />
necesidad de relacionar las características de los hechos observados con variables<br />
o propiedades de los mismos, y para obtener resultados más sistemáticos relacionó<br />
esas características con valores numéricos, es decir, empezó a medir. Esto no significa<br />
que antes de él no se hicieran mediciones, pues ya se hacían desde muchos siglos<br />
atrás. <strong>La</strong> gran contribución de Galileo fue utilizar dichas mediciones para el análisis<br />
de los fenómenos, es decir, introdujo el lenguaje matemático como una forma de<br />
encontrar las relaciones entre las variables observadas al reproducir los fenómenos<br />
estudiados. Se dice que Galileo medía el tiempo con un sistema de goteo de agua,<br />
similar a un reloj de arena. También se cuenta que ideó una forma de medir la temperatura<br />
con una ampolla de vidrio provista de un tubo alargado, el cual introducía<br />
■ Galileo Galilei introdujo el método<br />
científico experimental en el<br />
estudio de los fenómenos físicos.
8 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
en un líquido, y luego observaba cómo ascendía o descendía por el tubo cuando<br />
alguna persona tocaba la ampolla con su mano, dándole una idea de su temperatura.<br />
A partir de ese momento, muchos estudiosos de la naturaleza adoptaron esa forma<br />
de estudiarla y de medir todo lo que se pudiera, dando como resultado, a la larga,<br />
lo que hoy conocemos como sistemas de unidades. Por ello, a la Física también la<br />
podemos denominar como “la ciencia de las mediciones”, ya que gracias a ella hoy<br />
tenemos gran diversidad de instrumentos de medición de muchas propiedades físicas<br />
y químicas de diversos materiales y sustancias que nos rodean.<br />
Vamos ahora a definir algunos conceptos en relación con las mediciones.<br />
Medición. ¿Qué es, en qué consiste y cómo se lleva a cabo? Definiremos el acto de<br />
medir como la comparación de una propiedad o magnitud física con otra de la misma<br />
clase, que se toma como referencia, mediante un dispositivo diseñado para ello,<br />
asignándole un valor numérico al resultado de dicha medición, y agregándole una<br />
“unidad de medida”, la cual nos dará una idea precisa de cuál es la magnitud física<br />
que se está midiendo.<br />
Magnitud física. Este concepto tiene, en esencia, una noción abstracta, ya que con<br />
él se trata de generalizar alguna propiedad de la materia. Así podemos ejemplificar<br />
la magnitud física de longitud como una propiedad de extensión que tienen los cuerpos.<br />
Un cuerpo regular, como un prisma rectangular, tiene largo, alto y ancho. Cada<br />
una de esas extensiones se refiere a una determinada longitud.<br />
Un edificio tiene cierta altura, y esta también se refiere a una longitud; un automóvil,<br />
cuando se desplaza, recorre cierta longitud. Entonces, la longitud es una magnitud<br />
física que nos da una idea de la extensión de un cuerpo en alguna dimensión <strong>del</strong> espacio.<br />
Otro ejemplo de magnitud física puede ser el tiempo. Un evento cualquiera, como<br />
una conferencia, una clase, un concierto, tiene cierta duración, la cual está determinada<br />
numéricamente como el tiempo. Así pues, el tiempo es otra magnitud física que<br />
se refiere a la duración de los eventos. Resumiendo, el término magnitud física está<br />
concebido como un término asociado con alguna propiedad o característica medible de<br />
cierta forma, sin especificar ningún valor numérico ni tampoco ninguna unidad de medida,<br />
sino únicamente una abstracción de esa propiedad en general. Por ello debemos<br />
definir bien este concepto y diferenciarlo de los que veremos enseguida.<br />
Unidad de medida. Para realizar una medición es necesario definir de antemano el<br />
patrón de medición, es decir, establecer la referencia con la cual vamos a medir lo<br />
que deseamos. Existen patrones de medición para las diferentes magnitudes físicas.<br />
Dichos patrones deben cumplir con una serie de requisitos para que sean válidos y<br />
que se puedan utilizar en cualquier parte <strong>del</strong> mundo.
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 9<br />
Antiguamente esto no era así, pues aún no existían dichos patrones, y cada quien<br />
establecía sus formas e instrumentos para medir. Afortunadamente ya contamos con<br />
sistemas de unidades que nos permiten realizar mediciones de muchos tipos con los<br />
instrumentos de medición adecuados. Antes de definir los patrones de medida vamos<br />
a realizar una clasificación de las magnitudes físicas, que las podemos clasificar en<br />
fundamentales y derivadas.<br />
<strong>La</strong>s magnitudes físicas fundamentales son las que no dependen de ninguna otra<br />
magnitud física, son las magnitudes básicas y se miden de forma directa. En la tabla<br />
1.1 se muestran todas las magnitudes fundamentales conocidas en la actualidad.<br />
Tabla 1.1 Magnitudes físicas fundamentales conocidas en la actualidad<br />
Magnitudes físicas fundamentales<br />
Longitud<br />
Masa<br />
Tiempo<br />
Temperatura<br />
Cantidad de sustancia<br />
Intensidad luminosa<br />
Intensidad de corriente eléctrica<br />
Definición<br />
Extensión lineal que existe entre dos puntos <strong>del</strong> espacio.<br />
Medida cuantitativa de la inercia, es decir, de la tendencia de<br />
los cuerpos a permanecer en el estado en que se encuentren<br />
(reposo o movimiento rectilíneo uniforme).<br />
Magnitud física que determina la duración de los hechos,<br />
eventos o acontecimientos que suceden en el Universo.<br />
Medida <strong>del</strong> promedio de energía cinética de las moléculas que<br />
constituyen una sustancia o un cuerpo.<br />
Cantidad de materia contenida en un cuerpo.<br />
Cantidad de energía radiante emitida por alguna fuente.<br />
Flujo de electrones que pasa por una sección transversal de un<br />
conductor por unidad de tiempo.<br />
Por otra parte, las magnitudes físicas derivadas son las que se forman mediante la<br />
combinación de dos o más magnitudes físicas fundamentales, en este caso existen<br />
una gran variedad. En la tabla 1.2 se incluyen algunas.<br />
Tabla 1.2 Ejemplos de magnitudes físicas derivadas<br />
Área<br />
Magnitudes físicas derivadas<br />
Volumen<br />
Velocidad<br />
Aceleración<br />
Fuerza<br />
Trabajo<br />
Potencia<br />
Medida de una superficie.<br />
Definición<br />
Medida <strong>del</strong> espacio tridimensional que ocupa un objeto.<br />
Distancia recorrida por unidad de tiempo en una dirección dada.<br />
Cambio en la velocidad por unidad de tiempo.<br />
Agente capaz de modificar el estado de reposo o de<br />
movimiento rectilíneo uniforme de un cuerpo.<br />
Producto de la aplicación de una fuerza a lo largo de una<br />
distancia en una dirección particular.<br />
Rapidez con que se realiza un trabajo.<br />
Cada una de estas magnitudes físicas tiene un patrón de medición establecido<br />
por grupos de científicos y especialistas en metrología. Aquí solo incluiremos los<br />
patrones de medición de las magnitudes físicas fundamentales en el Sistema Internacional<br />
de Unidades, que es el más utilizado en nuestros días.
10 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Tabla 1.3 Magnitudes físicas fundamentales<br />
Magnitudes físicas<br />
fundamentales<br />
Patrón o<br />
unidad de<br />
medición<br />
Símbolo Descripción Instrumento de medición<br />
Longitud Metro m Definido como la longitud de la trayectoria<br />
recorrida por la luz en el vacío durante un<br />
intervalo de tiempo de 1/299,792,458 de<br />
segundo.<br />
Regla, cinta métrica (flexómetro),<br />
nonio o vernier, etc.<br />
Masa Kilogramo kg Definido como la masa <strong>del</strong> prototipo<br />
internacional de platino iridiado, cuyo original<br />
es resguardado en la Oficina Internacional<br />
de Pesas y Medidas de París ubicada en el<br />
pabellón Breteuil en Sevres, Francia.<br />
Báscula<br />
Tiempo Segundo s Es la duración de 9’192 631 770 periodos de<br />
la radiación correspondiente a la transición<br />
entre los dos niveles hiperfinos <strong>del</strong> estado<br />
fundamental <strong>del</strong> átomo de cesio 133.<br />
Cronómetro<br />
Temperatura Kelvin K Es equivalente a 1/273.16 de la temperatura<br />
termodinámica <strong>del</strong> punto triple <strong>del</strong> agua, en<br />
el cual se encuentran en equilibrio térmico el<br />
hielo, el agua y el vapor de agua.<br />
Termómetro<br />
Cantidad de<br />
sustancia<br />
Intensidad<br />
luminosa<br />
Mol mol Es la cantidad de sustancia de un sistema que<br />
contiene tantas entidades elementales como hay<br />
átomos en 0.012 kilogramos de carbono 12.<br />
Can<strong>del</strong>a Cd <strong>La</strong> can<strong>del</strong>a es la intensidad luminosa en una<br />
dirección dada, de una fuente que emite<br />
radiación monocromática de frecuencia<br />
540 * 10 12 Hz y que tiene una intensidad<br />
radiante en esa dirección de 1/683 W por<br />
estereorradián.<br />
No tiene un instrumento de<br />
medición específico<br />
Luxómetro<br />
Corriente<br />
eléctrica<br />
Ampere A Es la carga eléctrica por unidad de tiempo que<br />
circula entre dos conductores rectos, paralelos,<br />
de longitud infinita, de sección transversal<br />
despreciable y separados 1 m entre sí en el<br />
vacío, de tal forma que produciría entre ellos<br />
una fuerza de 2 * 10 -7 N por metro de longitud.<br />
Amperímetro<br />
Fuente: http://www.bipm.org/en/measurement-units/base-units.html
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 11<br />
En la tabla anterior, se incluyeron en la última columna los instrumentos de medición<br />
de cada una de las magnitudes físicas. Sin el instrumento adecuado no se podría<br />
establecer la medición deseada. He ahí de nuevo la evidencia de que el desarrollo de<br />
la Física ha traído como consecuencia la invención de los instrumentos de medición<br />
mencionados y de muchos otros desarrollados para diversas disciplinas. Más a<strong>del</strong>ante<br />
se hará una descripción de los más comunes.<br />
Cantidad física. Ya hemos definido lo que es una magnitud física, vimos cómo se<br />
puede medir, es decir, las unidades o patrones de medición, vamos a ver ahora qué<br />
son las cantidades físicas.<br />
Una cantidad física no es otra cosa que el resultado de una medición. Cuando<br />
medimos nuestra altura obtenemos una cantidad física, por ejemplo: 1.80 metros. Ese<br />
número, al que se le ha asociado una unidad de medición, es una cantidad física, que<br />
en este caso representa la altura de nuestro cuerpo. Una cantidad física es un valor<br />
numérico que se obtiene como resultado de realizar la comparación de la magnitud<br />
física <strong>del</strong> objeto a medir con el patrón de medición correspondiente. En el ejemplo<br />
de la altura, 1.80 metros corresponde a una medición de longitud, que pudo haber<br />
sido obtenido mediante un flexómetro, calibrado en metros, y comparándola con la<br />
extensión de la persona estando de pie para ver cuántas veces cabe ese patrón de medida<br />
en la altura de ella. Es decir, las cantidades físicas son las cuantificaciones de las<br />
propiedades que deseamos medir, utilizando los instrumentos diseñados para tal fin.<br />
1.4 Sistema Internacional de Pesos y Medidas<br />
<strong>La</strong>s observaciones y experiencias que interesan a los científicos cubren un dominio<br />
inmenso. <strong>La</strong>s distancias se extienden desde las dimensiones increíblemente pequeñas<br />
de las partículas subnucleares hasta los miles de años luz que separan a las galaxias<br />
<strong>del</strong> Universo. Los tiempos abarcan desde los periodos inmensamente grandes<br />
de la evolución estelar hasta los de la vida infinitamente corta de algunas partículas<br />
elementales. En el transcurso de su historia, el hombre ha desarrollado algunos<br />
sistemas de unidades para realizar diversas mediciones, es decir, para comparar la<br />
magnitud de un objeto con otra que le sirve de base o patrón.<br />
Todos los sistemas de unidades se establecen tomando como punto de partida la<br />
definición de las magnitudes fundamentales que sirven para establecer los patrones<br />
de medida o unidades y definen un sistema de medición que es reconocido por una<br />
comunidad científica. De ellas se pueden obtener otras unidades que expresan la<br />
relación entre diferentes variables, que se conocen como magnitudes derivadas, las<br />
cuales, como ya lo vimos, resultan de la combinación de las unidades fundamentales.<br />
Sistema Internacional (SI). En 1875 se estableció en Francia, el Buró Internacional<br />
de Pesos y Medidas para estandarizar los patrones de medición. A través de una<br />
serie de acuerdos de carácter internacional se definieron las unidades fundamentales<br />
<strong>del</strong> Sistema Internacional de Unidades (SI). Una de las características más atractivas<br />
y convenientes de este sistema es su base decimal (su antecesor es el llamado<br />
sistema métrico decimal, adoptado desde 1795 en Francia).
12 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
En la tabla 1.4 se incluyen las unidades <strong>del</strong> Sistema Internacional, su símbolo y<br />
su descripción. Además de estas unidades, existen unidades auxiliares que se utilizan<br />
cuando la unidad patrón no es conveniente. Así podemos mencionar los kilómetros,<br />
microgramos, nanosegundos o miliamperes, que se derivan de las unidades básicas<br />
o patrón, multiplicándolas por potencias enteras de diez, y existen prefijos estandarizados<br />
para ellas.<br />
Sistema CGS (o sistema cegesimal). Fue uno de los primeros establecidos. Se propuso<br />
en 1832 por el matemático y científico alemán Karl Gauss. Sus unidades fundamentales<br />
son el centímetro (c), gramo (g) y segundo (s). Fue ampliamente utilizado,<br />
pero hoy ha sido reemplazado casi en su totalidad por el Sistema Internacional.<br />
Sistema inglés. Sus orígenes se remontan al Reino Unido, pero también es utilizado<br />
en Estados Unidos y algunos países de habla inglesa. Sus unidades fundamentales son<br />
el pie, la libra y el segundo. Actualmente las unidades <strong>del</strong> sistema inglés están siendo<br />
lentamente desplazadas por las <strong>del</strong> Sistema Internacional de Unidades, pues la apertura<br />
<strong>del</strong> comercio internacional ha impuesto un lenguaje común, cuyos componentes<br />
están especificados en estas unidades. Sin embargo, existen muchos instrumentos de<br />
medición y dispositivos, además de tornillería, ropa, calzado, etc., que se encuentran<br />
calibrados en estas unidades inglesas, lo cual ha dificultado la migración al SI.<br />
Tabla 1.4 Múltiplos y submúltiplos <strong>del</strong> Sistema Internacional (SI)<br />
Prefijo Símbolo Factor Valor decimal<br />
iotta (Y) 10 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000<br />
zetta (Z) 10 21 1 000 000 000 000 000 000 000<br />
exa (E) 10 18 1 000 000 000 000 000 000<br />
peta (P) 10 15 1 000 000 000 000 000<br />
tera (T) 10 12 1 000 000 000 000<br />
giga (G) 10 9 1 000 000 000<br />
mega (M) 10 6 1 000 000<br />
kilo (k) 10 3 1 000<br />
hecto (h) 10 2 100<br />
deca (da) 10 1 10<br />
10 0 1<br />
deci (d) 10 −1 0.1<br />
centi (c) 10 −2 0.01<br />
mili (m) 10 −3 0.001<br />
micro (µ) 10 −6 0.000 001<br />
nano (n) 10 −9 0.000 000 001<br />
pico (p) 10 −12 0.000 000 000 001<br />
femto (f) 10 −15 0.000 000 000 000 001<br />
atto (a) 10 −18 0.000 000 000 000 000 001<br />
zepto (z) 10 −21 0.000 000 000 000 000 000 001<br />
iocto (y) 10 −24 0.000 000 000 000 000 000 000 001
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 13<br />
1.5 Conversión de unidades mediante factor de conversión<br />
Es frecuente encontrarnos con la necesidad de hacer transformaciones de unidades<br />
de medición para determinado fin. ¿Cuántas veces sucede que pasamos la frontera<br />
en automóvil para ir de compras al país vecino? En este caso, debemos cambiar la<br />
moneda de pesos a dólares, y para ello debemos conocer el tipo de cambio, es decir,<br />
la equivalencia entre estas divisas y realizar la operación deseada.<br />
Para los fines de este curso, expondremos un método para realizar conversiones<br />
de unidades de un sistema a otro, o bien, entre múltiplos y submúltiplos de las unidades.<br />
Se conoce como el método <strong>del</strong> factor de conversión.<br />
Factor de conversión<br />
El factor de conversión es una relación entre dos cantidades físicas <strong>del</strong> mismo<br />
tipo, cada una de un sistema de medición diferente. Este factor de conversión<br />
nos permite realizar transformaciones entre unidades de la misma magnitud física.<br />
Consiste en una fracción en donde el numerador y el denominador corresponden a<br />
la misma medida, pero están expresados en diferentes unidades, de tal forma que<br />
esta fracción equivale físicamente a la unidad.<br />
Es posible establecer un factor de conversión con cada una de las equivalencias<br />
entre las cantidades físicas conocidas, veamos los siguientes ejemplos:<br />
Sabemos que la equivalencia entre metros y centímetros es: 1 m = 100 cm.<br />
Un factor de conversión para convertir de metros a centímetros lo establecemos así:<br />
1 m<br />
100 cm<br />
o<br />
100 cm<br />
1 m<br />
Pero también podemos encontrar el factor de conversión para transformar de centímetros<br />
a metros utilizando la misma equivalencia, de esta manera:<br />
1 m<br />
100 cm<br />
o<br />
100 cm<br />
1 m<br />
De la misma forma podemos encontrar el factor de conversión para cualquier otra<br />
equivalencia y, una vez hecho esto, realizar la transformación correspondiente mediante<br />
el método <strong>del</strong> factor de conversión.<br />
Método <strong>del</strong> factor de conversión<br />
Para efectuar una conversión de unidades se deberán seguir los siguientes pasos:<br />
a) Escribir los datos: la cantidad que va a convertirse con sus unidades.<br />
b) Seleccionar la equivalencia que relacione las unidades dadas con las deseadas.<br />
c) Formar el factor de conversión apropiado a partir de la equivalencia.<br />
d) Multiplicar la cantidad original por el factor de conversión y cancelar las<br />
unidades no deseadas.<br />
A continuación se muestran algunos ejemplos de conversiones de unidades utilizando<br />
este método.
14 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
EJEMPLO 1.1<br />
Transforma 60 metros a centímetros.<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
60 m<br />
y la equivalencia entre metros y centímetros 1 m = 100 cm.<br />
b) Factor de conversión apropiado (de metros a centímetros):<br />
1 m<br />
100 cm<br />
o<br />
100 cm<br />
1 m<br />
c) Aplicamos el método <strong>del</strong> factor de conversión multiplicando la cantidad que tenemos por el factor de<br />
conversión:<br />
60 m<br />
100 cm<br />
1 m = 6000 cm<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado<br />
Una longitud de 60 metros es equivalente a 6000 centímetros.<br />
EJEMPLO 1.2<br />
Expresa 50.8 centímetros en pulgadas.<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
y la equivalencia:<br />
50.8 cm<br />
1 pulg (in) = 2.54 cm<br />
b) Factores de conversión apropiado (de centímetros a pulgadas):<br />
1 in<br />
2.54 cm<br />
c) Aplicamos el método <strong>del</strong> factor de conversión multiplicando la cantidad que tenemos por el factor de<br />
conversión:<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado<br />
50.8 cm<br />
1 in<br />
2.54 cm = 20 in<br />
50.8 cm equivale a 20 pulgadas.
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 15<br />
EJEMPLO 1.3<br />
Expresa 35 cm 2 en mm 2 .<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
35 cm 2<br />
b) En este caso la equivalencia la obtendremos de la siguiente forma:<br />
1 cm = 10 mm<br />
Pero al ser 35 cm 2 , una cantidad física con unidades de área, elevamos al cuadrado la equivalencia anterior:<br />
(1 cm) 2 = (10 mm) 2<br />
1 cm 2 = 100 mm 2<br />
Esta última será la equivalencia que utilizaremos en nuestra conversión.<br />
c) Factor de conversión de cm 2 a mm 2 :<br />
100 mm 2<br />
1 cm 2<br />
d) Aplicamos el método <strong>del</strong> factor de conversión y multiplicamos la cantidad que tenemos por el factor de<br />
conversión anterior:<br />
35 cm 2<br />
100 mm 2<br />
1 cm<br />
= 3500 mm 2<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado<br />
35 cm 2 equivale a 3500 mm 2<br />
EJEMPLO 1.4<br />
Transformar 90 km/h a m/s.<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
90 km/h<br />
b) Observamos que la cantidad física que vamos a transformar corresponde con unidades de velocidad, las<br />
cuales se forman mediante la combinación de unidades de longitud y unidades de tiempo, por lo cual,<br />
en este caso, requeriremos de dos equivalencias:<br />
1 km = 1000 m y 1 h = 3600 s<br />
c) Factores de conversión que utilizaremos:<br />
1000 m<br />
1 km y 1 h<br />
3600 s
16 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
d) De nuevo aplicamos el método <strong>del</strong> factor de conversión, esta vez doble, y multiplicamos por la cantidad<br />
que tenemos:<br />
90 km<br />
h<br />
1000 m<br />
1 km<br />
1 h<br />
3600 s<br />
= 25<br />
m<br />
s<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado<br />
Un cuerpo que se mueva con una velocidad de 90 km/h está avanzando 25 m/s.<br />
■ Actividad 1 Ejercicios de conversión de unidades<br />
Utilizando el método <strong>del</strong> factor de conversión, resuelve las siguientes conversiones<br />
siguiendo cada uno de los pasos hasta llegar a la interpretación <strong>del</strong> resultado.<br />
56 pulgadas a cm 16 m/s a km/h 40 lb a kg<br />
4m 2 a cm 2 3 km a cm 50 s a min<br />
70 h a días 5 h a s 800 mm a cm<br />
5 galones a litros 3500 l a m 3 4 millas a km<br />
120 km/h a m/s 50 min a s 5 pies a m<br />
7000 cm 2 a m 2 75 000 cm 3 3<br />
a m 50 onzas a g
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 17<br />
Aplicación de conversión de unidades en situaciones prácticas<br />
Tal como se estableció en la sección previa, es importante conocer las bases <strong>del</strong><br />
método <strong>del</strong> factor de conversión para aplicarlo en la solución de problemas. A continuación<br />
presentamos algunos ejemplos que te auxiliarán en el desarrollo de la competencia<br />
y la construcción de nuevos conocimientos. Posteriormente podrás practicar<br />
la solución de problemas utilizando este método, que no es otra cosa que un<br />
tema de razones y proporciones, tal como la has visto en la clase de matemáticas. Te<br />
recomendamos que, al resolver los ejercicios, escribas todos los pasos <strong>del</strong> método<br />
para que el docente tenga la evidencia necesaria de que realmente estás utilizando el<br />
método <strong>del</strong> factor de conversión adecuadamente.<br />
EJEMPLO 1.5<br />
Un carrete de alambre de cobre tiene 250 m de este material. ¿Cuántos trozos de 20 cm se pueden obtener<br />
de todo el carrete?<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
Cantidad total de alambre: 250 m<br />
Medida de cada uno de los trozos: 20 cm<br />
Equivalencia entre metros y centímetros: 1 m = 100 cm<br />
b) ¿Qué queremos hacer?<br />
Calcular la cantidad de trozos de 20 cm que se pueden obtener de un carrete de 250 m.<br />
c) ¿Cómo lo vamos a resolver?<br />
Dado que utilizaremos el método <strong>del</strong> factor de conversión, encontraremos los factores de conversión<br />
correspondientes:<br />
1 trozo = 20 cm<br />
Factor de conversión:<br />
1 trozo<br />
20 cm<br />
Factor de conversión:<br />
1 m = 100 cm<br />
100 cm<br />
1 m<br />
d) Aplicamos el método <strong>del</strong> factor de conversión y multiplicamos las cantidades a partir de la medida <strong>del</strong><br />
carrete:<br />
250 m<br />
100 cm<br />
1 m<br />
1 trozo<br />
20 cm = 1 250 trozos<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado<br />
De un carrete de alambre de 250 m se pueden obtener 1 250 trozos de 20 cm.
18 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
EJEMPLO 1.6<br />
En una industria maquiladora de ropa, una trabajadora puede colocar un botón en una camisa en 5 segundos.<br />
Si cada una tiene 6 botones, ¿a cuántas camisas le colocará todos los botones en una jornada de trabajo de<br />
8 horas?<br />
<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
Tiempo en colocar un botón: 5 segundos<br />
Número de botones de cada camisa: 6 botones<br />
Tiempo de una jornada de trabajo: 8 horas<br />
b) ¿Qué queremos hacer?<br />
Determinar a cuántas camisas le puede colocar sus botones en una jornada de 8 horas.<br />
c) ¿Cómo lo vamos a resolver?<br />
Aplicando el método <strong>del</strong> factor de conversión, formando los factores de conversión adecuados de acuerdo<br />
con los datos que tenemos partiendo <strong>del</strong> tiempo de una jornada de trabajo.<br />
1 botón<br />
5 s<br />
3 600 s<br />
1 h<br />
1 camisa<br />
6 botones<br />
8 h 3 600 s<br />
1 h<br />
1 botón<br />
5 s<br />
1 camisa<br />
6 botones<br />
= 960 camisas<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado<br />
En una jornada de 8 horas, una trabajadora puede colocar los botones a 960 camisas.<br />
EJEMPLO 1.7<br />
En una zona escolar, el límite de velocidad para los automóviles es de 30 km/h. Si un conductor transita por<br />
esa calle a 9 m/s, ¿está rebasando el límite de velocidad?<br />
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 19<br />
Solución<br />
a) Datos con los que contamos:<br />
Límite de velocidad: 30 km/h<br />
Velocidad <strong>del</strong> automóvil: 9 m/s<br />
b) ¿Qué queremos hacer?<br />
Determinar si el conductor excede el límite de velocidad en la zona escolar.<br />
c) ¿Cómo lo resolveremos?<br />
Tenemos que transformar la velocidad <strong>del</strong> conductor a km/h para compararla con la velocidad límite en<br />
la zona escolar y determinar si rebasa o no ese límite.<br />
d) Aplicamos el método <strong>del</strong> factor de conversión, como en los ejemplos anteriores:<br />
9 m s<br />
1 km<br />
1000 m<br />
3600 s<br />
1 h<br />
= 32.4 km/h<br />
e) Comparando, vemos que, efectivamente, el conductor sí rebasa el límite de velocidad permitido, ya que<br />
32.4 km/h es mayor que 30 km/h.<br />
■ Actividad 2 Aplicación de conversiones<br />
Resuelve los siguientes ejercicios aplicando el método <strong>del</strong> factor de conversión y los conceptos que<br />
aprendiste en esta etapa.<br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
1. Un camión transporta 350 bultos de<br />
cemento. Si cada bulto contiene 50<br />
kilogramos, ¿cuál es el valor de la carga <strong>del</strong><br />
camión expresada en toneladas?<br />
Datos:<br />
Procedimiento:
20 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
2. Una bola de estambre tiene 125 metros<br />
de hilo, ¿cuántos pedazos de hilo de<br />
25 centímetros se obtendrán de ella?<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
3. <strong>La</strong> longitud <strong>del</strong> alambre de un sujetador de<br />
papel (clip) extendido mide 94 milímetros.<br />
¿Cuántos sujetadores se pueden hacer con un<br />
rollo de alambre de 1.175 kilómetros?<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
4. Determina el número aproximado<br />
de pasos que da una persona al recorrer<br />
1.5 kilómetros, si la longitud promedio<br />
por paso es de 50 centímetros.<br />
Datos:<br />
Procedimiento:
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 21<br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
5. Determina el número de átomos que tiene una<br />
muestra de 0.7 gramos de uranio puro si la<br />
masa de un átomo de uranio es de 4 * 10 –25 kg.<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
2. Encuentra el área de un círculo que tiene<br />
1 metro de longitud y expresa tu respuesta<br />
en: a) m 2 y b) cm 2 .<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
7. Un cubo rectangular tiene 10 centímetros<br />
por cada lado y una altura de 80 centímetros.<br />
Determina el volumen <strong>del</strong> cubo en: a) cm 3 y<br />
b) m 3 .<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
8. Un camión está equipado con un dispositivo<br />
para pintar los cordones de la banqueta. Si el<br />
dispositivo pinta 3 metros por segundo<br />
(3 m/s), ¿cuántos kilómetros por hora (km/h)<br />
pintará el dispositivo?<br />
Datos:<br />
Procedimiento:
22 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
9. En una fábrica de papel, un rodillo enrolla<br />
papel para periódico con una rapidez de<br />
18 kilómetros por hora (18 km/h). ¿Cuántos<br />
metros enrollará en un segundo?<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
10. Anota tu edad en años y conviértela a meses,<br />
días, horas y segundos.<br />
Datos:<br />
Procedimiento:<br />
1.6 Magnitudes cinemáticas fundamentales: distancia,<br />
desplazamiento, rapidez, velocidad, aceleración, masa y peso<br />
<strong>La</strong> Física, como ya hemos dicho, se divide en ramas para sistematizar el estudio de los<br />
diversos fenómenos, sin embargo, una de las fundamentales, que ha dado sustento a las<br />
demás es la Mecánica, que estudia el movimiento de los cuerpos en general. Por ello,<br />
incluiremos en esta parte, a nivel eminentemente conceptual, las definiciones de algunas<br />
de las magnitudes fundamentales que prevalecen y se aplican en las otras ramas.<br />
Como es obvio, estas tienen que ver con el movimiento y abundaremos más sobre ellas<br />
en las etapas subsiguientes, así como en cursos posteriores.<br />
Conceptos básicos de la Cinemática<br />
<strong>La</strong> Cinemática es el estudio de los tipos de movimiento que puede tener un cuerpo y<br />
de su descripción matemática. Permite predecir lo que le sucede a un cuerpo si continúa<br />
con las mismas condiciones de movimiento en tiempos posteriores al momento<br />
considerado como inicial. Así, si se conoce la velocidad de un cuerpo, y se considera<br />
que es constante, es posible saber en qué posición se encontrará más a<strong>del</strong>ante en el<br />
tiempo, o bien, en qué momento llegará a un determinado destino, es decir, cuánto<br />
tiempo tardará en recorrer una distancia conocida. Igualmente, sirve para deducir<br />
las condiciones <strong>del</strong> cuerpo en tiempos anteriores al momento inicial. Es como mirar<br />
hacia el pasado.<br />
Esta manera de predecir el comportamiento de los objetos se puede aplicar a diversos<br />
fenómenos de la naturaleza, por esa razón el estudio <strong>del</strong> movimiento ha cobrado una<br />
importancia preponderante y es considerado una parte fundamental <strong>del</strong> conocimiento<br />
en general, no solamente para quienes estudien Física, sino para cualquier persona.
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 23<br />
<strong>Movimiento</strong>. Se puede decir que el movimiento es un cambio de posición en el espacio<br />
y a través <strong>del</strong> tiempo.<br />
Distancia. Simplemente es el espacio recorrido por el cuerpo durante el cambio de posición.<br />
Más a<strong>del</strong>ante veremos la diferencia entre distancia y desplazamiento. <strong>La</strong> unidad<br />
para medir la distancia en el SI es el metro, y las relacionadas con este, como el centímetro,<br />
milímetro y kilómetro, y en el sistema inglés, el pie, la yarda, pulgada y milla.<br />
Desplazamiento. Es el movimiento para trasladarse de un lugar a otro.<br />
Velocidad. Es la relación que se establece entre el espacio o la distancia que recorre<br />
un objeto y el tiempo que invierte en ello.<br />
Rapidez. Solo para los fines de esta etapa tomaremos como sinónimos los términos<br />
de rapidez y velocidad. Más a<strong>del</strong>ante haremos la distinción entre ellos. Por lo pronto,<br />
diremos que la rapidez de un cuerpo (o la velocidad) es la distancia recorrida<br />
por unidad de tiempo, en otras palabras, es la relación que existe entra la distancia<br />
recorrida por un cuerpo y el tiempo que tarda en recorrerla. <strong>La</strong> unidad para medirla<br />
en el SI es: m/s. Otras unidades de velocidad son cm/s, millas/h, km/h, pies/s, etc.<br />
Aceleración. Cuando un cuerpo se encuentra en movimiento, difícilmente conserva<br />
sus condiciones de movimiento durante todo el recorrido, esto sucede en la realidad<br />
con la mayoría de los cuerpos. Nosotros, para simplificar el estudio, haremos consideraciones<br />
en las cuales no se tomen en cuenta dichas variaciones y, en caso de existir,<br />
diremos que estas son “uniformes”. En este caso, el término aceleración se refiere al<br />
cambio en la velocidad (o la rapidez) de un cuerpo durante su movimiento. <strong>La</strong> unidad<br />
básica para medir la aceleración en el Sistema Internacional es m/s 2 , cm/s 2 y pies/s 2 .<br />
Masa. En el mundo real, los cuerpos u objetos que vemos y palpamos tienen masa. Definiremos<br />
la masa como una propiedad de todos los cuerpos de resistirse a los cambios<br />
en su estado, ya sea de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, es decir, la masa<br />
es la medida cuantitativa de la inercia de los cuerpos. <strong>La</strong> unidad básica para medir la<br />
masa en el SI es: kg (kilogramo) y otras como gramos, libras, onzas y toneladas.<br />
Fuerza. <strong>La</strong> fuerza es todo agente capaz de producir un cambio en el movimiento de<br />
los cuerpos. Si se observa un cambio en el movimiento de un cuerpo, es debido a<br />
que una fuerza está actuando sobre él. En el SI se utiliza el newton (N) para medir la<br />
fuerza, y otras unidades como la dina y la libra fuerza.<br />
Peso. En términos generales, diremos que el peso es la fuerza con que la Tierra<br />
atrae a un cuerpo debido a la acción de la gravedad. <strong>La</strong> unidad <strong>del</strong> SI para medirla<br />
es el Newton (N), y otras como dina y libra. En la vida cotidiana se mide el peso en<br />
unidades de masa, kilogramos y en gramos, sin embargo, al ser el peso un tipo de<br />
fuerza, sus unidades estrictamente hablando son de fuerza.<br />
1.7 Los instrumentos de medición<br />
En la investigación científica, y en muchos de los procesos de la vida cotidiana,<br />
se requiere la medición de magnitudes físicas asociadas con diversos fenómenos.<br />
Cuando hablamos de mediciones nos referimos a la acción de medir, es decir, a<br />
determinar en forma experimental el valor de una magnitud física utilizando los instrumentos<br />
adecuados. Algunos los más utilizados en nuestra vida cotidiana son los<br />
que se muestran en la figura 1.2.
24 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
■ Figura 1.2 Instrumentos comunes para distintas mediciones.<br />
Instrumentos de medición de longitud<br />
En la Antigüedad, el ser humano utilizó herramientas para identificar las dimensiones<br />
de objetos y lugares. En un principio usaban su propio cuerpo para tal efecto,<br />
por ejemplo: el paso, el palmo, la braza, la pulgada, el pie, entre otros. Con el paso<br />
<strong>del</strong> tiempo se emplearon otros instrumentos, como la regla, la cinta métrica (o flexómetro),<br />
de la cual podemos rastrear sus orígenes desde la antigua Roma, donde los<br />
romanos solían utilizar cintas de cuero marcadas con unidades de medición convencionales<br />
para esa época y lugar.<br />
Actualmente existen instrumentos de medición más exactos. Uno muy utilizado<br />
es el vernier (también conocido como nonio o pie de rey), que se utiliza principalmente<br />
para medir el diámetro exterior, el interior y la profundidad de los objetos, permite<br />
tomar mediciones con mayor precisión que otros instrumentos de medición convencionales,<br />
como las reglas o la cinta métrica (flexómetro), es decir, posee márgenes de<br />
error menores (solo 0.05 mm o 0.0019 pulgadas, dependiendo <strong>del</strong> instrumento). Los<br />
calibradores vernier manuales incluyen tanto las medidas <strong>del</strong> Sistema Internacional<br />
como <strong>del</strong> inglés, pero no es raro que solo tengan una.<br />
Escanea el código QR para más información<br />
Instrumentos de medición de masa<br />
Para medir la masa de los objetos se utilizan las balanzas. Una balanza es una palanca<br />
de primer género cuyos brazos son iguales y en sus extremos se encuentran<br />
sostenidos dos platillos: en uno de ellos se coloca el objeto que se va a medir y en el<br />
otro un objeto de referencia para compararlo (la pesa).
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 25<br />
<strong>La</strong> balanza ya aparece representada en diversos papiros y grabados egipcios que<br />
datan desde 2000 años a.C. y su forma y funcionamiento se ha mantenido prácticamente<br />
sin cambios, al menos para el uso común o comercial. Obviamente, en la<br />
actualidad hay otros instrumentos para medir la masa, como las balanzas analíticas,<br />
las electrónicas y otras, cuya precisión es mucho mayor que la balanza común. Sin<br />
embargo, para los alcances de este curso, con el conocimiento <strong>del</strong> uso de la báscula<br />
romana o de brazos y de la báscula electrónica es más que suficiente.<br />
Escanea el código QR para más información<br />
Instrumentos para medición <strong>del</strong> tiempo<br />
Podemos considerar que, desde la Antigüedad, el ser humano ha utilizado diversos<br />
medios para medir el tiempo, como la sombra que proyecta el Sol, las velas, el reloj<br />
de arena, entre otros. Posteriormente se fueron diseñando instrumentos más precisos<br />
y cotidianos, como el reloj mecánico, el reloj de cuarzo, el cronómetro digital y el<br />
reloj atómico, el cual se considera el más preciso en la actualidad. El primer reloj atómico<br />
fue construido en 1949 en la Oficina Nacional de Estándares (NBS). Alimenta<br />
su contador utilizando las frecuencias de resonancia atómica. Es un aparato tan exacto<br />
para medir el tiempo, que solo permite un error de 1 segundo cada 30 mil años.
26 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
1.8 Normas de seguridad al utilizar los instrumentos<br />
de medición<br />
<strong>La</strong>s medidas de seguridad en el laboratorio que todo estudiante debe seguir al utilizar<br />
instrumentos de medición son las siguientes:<br />
1. Piensa en lo que estás haciendo y hazlo con cuidado sobre todo con el material<br />
y manejo de los instrumentos de laboratorio que se utilizarán en la<br />
práctica programada. Atiende a lo que el docente te señale.<br />
2. Sigue cuidadosamente las instrucciones de la práctica de laboratorio y el<br />
manual de instrucciones de los instrumentos de medición. Cualquier duda<br />
que tengas sobre su uso consúltala con tu docente.<br />
3. Dentro <strong>del</strong> laboratorio debes usar la ropa adecuada: lentes de seguridad,<br />
guantes, bata o guardapolvo y todo lo que tu docente te indique.<br />
4. No tomes bebidas ni ingieras alimentos dentro <strong>del</strong> laboratorio.<br />
5. Presta atención a las indicaciones <strong>del</strong> profesor o asistente <strong>del</strong> laboratorio.<br />
6. Mantén siempre limpio y ordenado el laboratorio; guarda el material y los<br />
equipos después de su uso.<br />
7. Mantén perfectamente limpio y seco el lugar donde se encuentre situado<br />
cualquier instrumento con contactos eléctricos. Lee las instrucciones de uso<br />
de los instrumentos.<br />
8. Tu profesor o el personal a cargo <strong>del</strong> laboratorio debe estar supervisando<br />
en todo momento la práctica y nunca deberá de ausentarse <strong>del</strong> laboratorio<br />
(dejarlos solos).
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 27<br />
PREGUNTAS Y EJERCICIOS DE REPASO DE LA ETAPA 1<br />
Preguntas conceptuales<br />
1. Responde en forma breve. ¿Por qué es importante conocer la Física como ciencia natural?<br />
2. <strong>La</strong> idea primordial de la ciencia para Aristóteles era el orden de las cosas. ¿A qué se refería con esto?<br />
3. Roberto pide a sus hermanos que le ayuden a obtener el volumen de su libro de Física. Él mide el<br />
ancho <strong>del</strong> libro y son 0.21 m, Juan mide la altura y encuentra que es de 29 cm y Luis mide el grosor y<br />
obtiene 22 mm. ¿Qué debe hacer Roberto para obtener el volumen <strong>del</strong> libro?<br />
4. ¿Cuál sería la forma de ordenar, de menor a mayor, las siguientes mediciones? 0.3333 m, 3.33 x 10 -2 km,<br />
3.33 cm y 333 mm.<br />
5. El profesor pide a Juan que le indique tres magnitudes físicas de su libro de texto y él le contesta: su<br />
peso, su tamaño y el diseño de la portada. ¿Es correcta su respuesta? En su caso, ¿qué no es correcto?
28 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
6. El club de Física donde está Luis desea diseñar un sistema de medición propio. ¿Qué es lo primero<br />
que deben establecer para que esto sea posible y todos entiendan este sistema?<br />
7. ¿Por qué, cuando se estableció el Sistema Internacional de Pesas y Medidas se eligió al sistema métrico<br />
decimal como base?<br />
8. Pedro encuentra que el diámetro promedio de un núcleo de átomo es de 0.0000000000012 m y expresa<br />
que esa cantidad equivale a 12 pm (picometros). ¿Es correcta su afirmación? Si no es así, ¿cuál<br />
sería la expresión correcta?<br />
9. El límite de velocidad en una zona escolar es de 30 km/h y abarca toda la extensión de la escuela que<br />
es de 150 m. Si Martha recorre esa distancia en su automóvil en 0.6 minutos, ¿estará infringiendo la<br />
ley? Justifica tu respuesta.<br />
10. Juan desea medir el volumen de jugo que se obtiene al exprimir una naranja. Explica cómo puede<br />
hacerlo usando:<br />
a) una probeta<br />
b) una regla<br />
c) una báscula
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 29<br />
Preguntas de opcion múltiple<br />
1. Se le considera el padre <strong>del</strong> método científico por las aportaciones que hizo al estudio de la ciencia:<br />
a) Sócrates<br />
b) Aristóteles<br />
c) Galileo Galilei<br />
d) Isaac Newton<br />
2. <strong>La</strong> idea de que las leyes <strong>del</strong> movimiento de Newton no aplicaban para objetos moviéndose a velocidades<br />
cercanas a la de la luz proviene de:<br />
a) Isaac Newton<br />
b) Galileo Galilei<br />
c) Albert Einstein<br />
d) Stephen Hawking<br />
3. ¿Cuál de las siguientes opciones contiene únicamente ramas de la Física clásica?<br />
a) Termodinámica, Nuclear, Atómica<br />
b) Nuclear, Atómica, Relativista<br />
c) Acústica, Óptica y Mecánica<br />
d) Termodinámica, Óptica y Partículas Subatómicas<br />
4. Al efectuar la comparación de una propiedad o magnitud física con otra de la misma clase que se toma<br />
como referencia, estamos hablando de:<br />
a) Cantidad física<br />
b) Unidad patrón<br />
c) Medición<br />
d) Magnitud física<br />
5. Se considera el resultado de una medición:<br />
a) Cantidad física<br />
b) Unidad patrón<br />
c) Medición<br />
d) Magnitud física<br />
6. ¿Cuál de las siguientes opciones contiene solo unidades fundamentales?<br />
a) masa, velocidad, tiempo y temperatura<br />
b) fuerza, aceleración, área y volumen<br />
c) masa, distancia, tiempo y temperatura<br />
d) tiempo, distancia, fuerza y velocidad<br />
7. ¿Cuál de las siguientes opciones contiene solo unidades derivadas?<br />
a) masa, velocidad, tiempo y temperatura<br />
b) fuerza, aceleración, área y volumen<br />
c) masa, distancia, tiempo y temperatura<br />
d) tiempo, distancia, fuerza y velocidad
30 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
8. ¿Cuál de las siguientes mediciones se considera una unidad derivada?<br />
a) 3 km/h<br />
b) 3 km<br />
c) 3 h<br />
e) ninguna de las anteriores<br />
9. En los conceptos de Física, ¿cuál es la diferencia entre masa y peso?<br />
a) <strong>La</strong> masa es la fuerza de atracción entre un objeto y la Tierra y el peso es la cantidad de masa que<br />
posee un cuerpo.<br />
b) El peso es la fuerza de atracción entre un objeto y la Tierra y la masa es la medida de la inercia que<br />
tiene un cuerpo.<br />
c) <strong>La</strong> masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo y el peso es lo que pesa esa materia en una<br />
báscula.<br />
d) No hay diferencia, las dos magnitudes expresan el mismo concepto.<br />
10. Los siguientes enunciados corresponden a las normas de seguridad en el laboratorio, excepto una de<br />
ellas. Identifica la norma incorrecta.<br />
a) Usar lentes, guantes y bata son indispensables para entrar protegidos al laboratorio.<br />
b) Hay que seguir cuidadosamente las instrucciones de la práctica, aunque no esté presente el profesor.<br />
c) Es peligroso beber o comer alimentos dentro <strong>del</strong> laboratorio porque se pueden contaminar.<br />
d) Cuando se hace una práctica hay que ser muy cuidadosos con el material que estamos usando.<br />
Problemas<br />
1. Determina el número aproximado de veces que late el corazón de un ser humano en un día, sabiendo<br />
que tiene una frecuencia promedio de 1.2 latidos por segundo.<br />
2. El alambre de púas de una cerca que rodea un terreno mide 24 350 metros. ¿Cuál es su equivalente en<br />
kilómetros?<br />
3. <strong>La</strong> distancia entre la Ciudad de México y Monterrey es de 910.3 kilómetros. Expresa esta distancia en:<br />
a) metros y b) centímetros.<br />
4. Una persona desea comprar un terreno de 150 m de frente por 90 m de largo. Si sabemos que un acre<br />
corresponde a 4046.86 m 2 y que cada acre se vende en $350 000.00. ¿Cuánto dinero debe pagar por el<br />
terreno?<br />
5. Un prisma rectangular tiene 10 cm por cada lado y una altura de 80 cm. Determina el volumen <strong>del</strong><br />
cubo en: a) cm 3 y b) m 3 .<br />
6. Juan salió de la escuela a las 12:36 am y llegó a su casa 85 minutos después. Si debía reunirse con sus<br />
amigos a las 3:30 pm, ¿cuánto tiempo libre tuvo antes de ir con ellos? Expresa el tiempo en minutos y<br />
horas.<br />
7. Efectúa la suma de las siguientes longitudes y expresa el resultado en metros: 12 500 mm, 3 800 cm,<br />
15 pulgadas, 4 pies y 0.0025 km.<br />
8. Se tienen 2.50 m de cuerda y se cortan trozos de 11.5 pulgadas. ¿Cuántos centímetros de cuerda sobrarán?<br />
9. Se tiene una alberca cuyas dimensiones son 3 m de largo, 4 m de ancho y 1.7 m de profundidad. Si se<br />
coloca una manguera que tiene un gasto de 10 litros por minuto. ¿Cuántas horas tardará en llenarse la<br />
alberca?
Etapa 1 Física: <strong>La</strong> ciencia de las mediciones 31<br />
10. El volumen de un grano de arena de 2.5 * 10 -10 m 3 . Si se tiene una cajita de 10 cm de arista, ¿cuántos<br />
granos de arena cabrían en dicha cajita?<br />
11. Si un átomo de hidrógeno tiene una masa aproximada de 1.67 * 10 -24 gramos, ¿cuántos átomos de<br />
hidrógeno habrá en una masa de 25 g de esta sustancia?<br />
12. Un constructor va a colocar piso en una casa. El área total de esta es de 245 m 2 y el piso seleccionado<br />
viene en piezas de 20 cm de ancho y 30 cm de largo.<br />
a) ¿Cuántas piezas se necesitan?<br />
b) Si el piso viene empacado en cajas de 1.2 m 2 , ¿cuántas cajas debe adquirir?<br />
c) El piso se vende en $199.00 el m 2 . ¿Cuánto pagará por todo el piso?<br />
Referencias<br />
http://www.uv.es/gammmm/Subsitio%20Operaciones/7%20normas%20de%20seguridad_archivos/<br />
NORMAS%20SEGURIDAD%20LABORATORIO.pdf<br />
http://instrumentos<strong>del</strong>aboratorio.org/medidas-de-seguridad-en-el-laboratorio<br />
http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=718870&fecha=27/11/2002<br />
https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/metrologia-y-normalizacion/1-9-normas-sobre-metrologia/<br />
http://www.dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=5470901&fecha=03/02/2017
ETAPA<br />
2<br />
CINEMÁTICA Y LAS<br />
LEYES DEL MOVIMIENTO<br />
DE LOS CUERPOS
CONTENIDO<br />
2.1 Conceptos básicos de la Cinemática<br />
2.2 Conceptos básicos de dinámica<br />
2.3 Leyes <strong>del</strong> movimiento: Primera, segunda y<br />
tercera leyes de Newton<br />
Introducción<br />
<strong>La</strong> Física, como ciencia que estudia la materia y la energía,<br />
se encarga de indagar hasta lo más profundo una gran cantidad<br />
de fenómenos, concebidos como la manifestación de<br />
la actividad que se produce en la naturaleza, o bien, como<br />
algún acontecimiento, suceso o cualidad que puede percibirse<br />
a través de los sentidos o <strong>del</strong> intelecto. En ese contexto,<br />
uno de los fenómenos más fácilmente perceptibles y más<br />
ampliamente estudiado por la Física desde sus inicios es el<br />
<strong>del</strong> movimiento de los cuerpos. Pensemos, por ejemplo, en<br />
el movimiento de una persona que camina desde su casa a<br />
su centro de trabajo, o el de una manzana que se desprende<br />
<strong>del</strong> árbol y cae al suelo; también el movimiento aparente<br />
que sigue el Sol desde que amanece hasta que anochece,<br />
o el de un meteoro en una noche estrellada. Pues bien, así<br />
como estos ejemplos podemos imaginarnos una gran can-
34 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
tidad de otros movimientos, de tal forma que cabría la pregunta: ¿qué es lo que<br />
no se mueve? ¿Habrá algo o existirá un lugar en el Universo que no se encuentre<br />
en movimiento? Dada la importancia <strong>del</strong> estudio de este hecho fundamental, los<br />
cursos de Física generalmente inician con el estudio de la Mecánica, pues de ahí<br />
se desprenden leyes generales <strong>del</strong> movimiento para la explicación de muchos<br />
fenómenos que corresponden a las diferentes ramas de esta disciplina.<br />
2.1 Conceptos básicos de la Cinemática<br />
El movimiento mecánico, constituye el objeto de estudio de la Mecánica, es el más<br />
simple entre las diferentes formas <strong>del</strong> movimiento físico y, en general, entre todas las<br />
formas de movimiento en la naturaleza. Definiremos como movimiento mecánico al<br />
cambio de posición en el espacio y a través <strong>del</strong> tiempo de un cuerpo o de algunas de<br />
sus partes respecto de otros cuerpos. Además, este tipo de movimiento es de los más<br />
comunes en la vida diaria, por ello esta rama de la Física fue la primera entre todas<br />
las ciencias en alcanzar un alto grado de desarrollo.<br />
El gran pensador Aristóteles fue de los primeros en intentar establecer una teoría<br />
armónica para describir el movimiento. Sus ideas, aunque no <strong>del</strong> todo correctas, pero<br />
sí muy de sentido común, perduraron por más de dos siglos. Aun en nuestros días,<br />
podemos observar fenómenos y dar una explicación aristotélica de los mismos, sin<br />
embargo, la Física va más allá de la simple observación empírica. Fue así a partir de<br />
los aportes <strong>del</strong> gran Galileo Galilei, quien, con sus métodos experimental e inductivo,<br />
sentó las bases de la nueva ciencia. Galileo se preocupó no solo por la observación<br />
de los hechos, sino también por reproducirlos de manera controlada, siguiendo<br />
una metodología sistemática que le permitió descubrir el conocimiento subyacente<br />
de los fenómenos que analizó. Posteriormente, el físico inglés Isaac Newton logró<br />
conjuntar los conocimientos de sus antecesores y formular una teoría completa y coherente<br />
<strong>del</strong> movimiento: las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos, conocidas también<br />
como leyes fundamentales de la mecánica clásica o mecánica newtoniana.<br />
<strong>La</strong> Mecánica, como ya se mencionó, es la rama de la Física que estudia el movimiento<br />
de los cuerpos en general. A partir de ella se han desarrollado la mayoría<br />
de las teorías de las demás ramas de esta ciencia. Así, podemos mencionar, por<br />
ejemplo, que el sonido tiene sus bases en la Mecánica, ya que es un fenómeno de<br />
movimiento o de transporte de energía a través de un medio. El calor igualmente<br />
tiene sus fundamentos en bases mecánicas a nivel molecular. <strong>La</strong> corriente eléctrica<br />
no podría ser entendida sin los principios <strong>del</strong> movimiento mecánico. No obstante,<br />
debemos recordar que la Mecánica clásica, que es la que estudiamos en este curso,<br />
tiene sus limitantes, pues se reduce al estudio de situaciones en donde las velocidades<br />
son muy pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. <strong>La</strong> Mecánica<br />
relativista se encarga de explicar los movimientos a velocidades comparables a la<br />
de la luz, pues se ha encontrado que el comportamiento de los fenómenos a esas<br />
velocidades obedece a otras leyes que están fuera <strong>del</strong> alcance de este curso.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 35<br />
<strong>La</strong> Mecánica se divide en dos partes: la Cinemática, que es el estudio de los tipos<br />
de movimiento de los cuerpos, su representación matemática y su análisis gráfico,<br />
y la Dinámica, que se encarga de analizar las causas que producen el movimiento<br />
y sus cambios.<br />
En esta etapa realizaremos un análisis <strong>del</strong> movimiento, describiendo los conceptos<br />
básicos que lo caracterizan y estudiándolo a la luz de las leyes de Newton, como<br />
marco teórico fundamental para comprender el comportamiento de este fenómeno.<br />
2.1.1 Sistema de referencia<br />
Para analizar con propiedad el movimiento de un objeto, debemos recordar la pregunta<br />
planteada en la introducción de este capítulo: ¿Habrá algo o existirá un lugar<br />
en el Universo que no se encuentre en movimiento? <strong>La</strong> respuesta es: no. Todo<br />
lo que existe en el Universo se mueve de alguna manera. Baste mencionar que la<br />
materia en general se encuentra constituida por partículas muy pequeñas que están<br />
en constante movimiento, ya sea de vibración o de desplazamiento entre ellas. De<br />
esta manera, todo se mueve desde el nivel microscópico hasta el de las grandes dimensiones<br />
astronómicas. Por ello es necesario determinar lo que se conoce como el<br />
sistema de referencia, a partir <strong>del</strong> cual determinemos el movimiento <strong>del</strong> objeto que<br />
deseamos analizar. Un punto de referencia puede ser algún lugar en la superficie de<br />
la Tierra. El salón de clase, por ejemplo. A partir de este punto podemos determinar<br />
si un estudiante se mueve hacia algún lugar, dentro o fuera <strong>del</strong> salón. Otro punto de<br />
referencia sería el de un automóvil que se desplace por una avenida con velocidad<br />
constante. También se puede determinar si un objeto se mueve o no con respecto a él.<br />
Es frecuente utilizar algún punto de la superficie terrestre para establecer el sistema<br />
de referencia.<br />
Un sistema de referencia debe contar con tres elementos esenciales:<br />
• Un punto o cuerpo de referencia, a partir <strong>del</strong> cual se determinará la posición<br />
<strong>del</strong> objeto que se mueve. Por ejemplo, un árbol, tu casa, el lugar en donde te<br />
encuentras en este momento, etcétera.<br />
• Un sistema de coordenadas asociado a dicho punto para determinar la dirección<br />
<strong>del</strong> movimiento, así como la posición.<br />
• El instante de tiempo a partir <strong>del</strong> cual se empezará a analizar el movimiento.
36 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
2.1.2 Mo<strong>del</strong>o de partícula<br />
Por lo pronto, para el estudio <strong>del</strong> movimiento mecánico no es necesario determinar<br />
las características <strong>del</strong> cuerpo que se mueve. No requerimos conocer su tamaño ni<br />
color o forma, pues lo que nos interesa es el movimiento en sí. Claro que para que<br />
resulte un conocimiento útil y en un contexto conocido o cotidiano, podremos referirnos<br />
a cuerpos comunes, como automóviles, rocas, aeroplanos, animales, entre<br />
otros. Pero reiteramos que lo que nos convoca a este análisis es el movimiento como<br />
fenómeno físico, que posteriormente se podrá aplicar a situaciones concretas. Por<br />
lo anterior, el desarrollo de este tema se basará en un mo<strong>del</strong>o llamado de partícula.<br />
Partícula porque consideramos que toda la masa <strong>del</strong> cuerpo se concentrará en un<br />
punto y analizaremos los cambios de posición de este, en el espacio y en el tiempo.<br />
2.1.3 <strong>Movimiento</strong> de traslación<br />
En este momento es pertinente hablar sobre el concepto de traslación, ya que es el<br />
movimiento al que nos referiremos a partir de aquí, en contraparte <strong>del</strong> movimiento<br />
de rotación, el cual estudiaremos en el siguiente curso. Traslación significa que<br />
todas las partes <strong>del</strong> objeto que se mueve describen las mismas trayectorias, como se<br />
muestra en la figura 2.1.<br />
Z<br />
B<br />
A<br />
Y<br />
B<br />
X<br />
A<br />
■ Figura 2.1 <strong>Movimiento</strong> de traslación de un cuerpo.<br />
Cuando estudiemos el movimiento de un cuerpo, implícitamente estaremos hablando<br />
de su movimiento de traslación, por ello toma relevancia el mo<strong>del</strong>o de partícula,<br />
puesto que estudiaremos sus diferentes posiciones a lo largo de su trayectoria de<br />
traslación durante el tiempo que permanezca en movimiento.<br />
2.1.4 Trayectoria<br />
Ya hemos mencionado el concepto de trayectoria, pero no lo hemos definido, puesto<br />
que probablemente ya lo tenemos conceptualizado de forma intuitiva. Nos referiremos<br />
a trayectoria como el conjunto de puntos en el espacio que ocupa el cuerpo<br />
sucesivamente durante el cambio de posición, desde su posición inicial hasta su<br />
posición final. Digamos que es el camino recorrido por dicho objeto. <strong>La</strong> trayectoria<br />
puede tomar cualquier forma, desde la más sencilla, que es una línea recta, pasando<br />
por líneas oblicuas, quebradas, circulares, curvas en general, pero siempre siguiendo<br />
una línea continua. Imagina diversos ejemplos de movimiento y describe su trayec-
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 37<br />
toria, como el movimiento de un atleta que corre una carrera de 100 metros planos,<br />
o bien, el movimiento de una pelota que es arrojada a un río y se mueve a favor de la<br />
corriente <strong>del</strong> agua. ¿Puedes imaginar sus trayectorias? Incluso en un juego de futbol<br />
americano podrás observar trayectorias (Fig. 2.2). <strong>La</strong> Cinemática describe el movimiento<br />
de cualquier objeto, pero nuestro análisis se concentrará en el movimiento en<br />
una dimensión, es decir, el movimiento con una trayectoria rectilínea.<br />
■ Figura 2.2 Trayectorias de receptores en el futbol americano.<br />
2.1.5 Distancia y desplazamiento<br />
<strong>La</strong> ciencia de la Física se encarga de estudiar una diversidad de hechos que ocurren<br />
en la naturaleza. En tal estudio los físicos describen los hechos y tratan de encontrar<br />
relaciones entre las magnitudes físicas que intervienen. En este sentido, es<br />
común la búsqueda de expresiones matemáticas mediante las cuales se describen<br />
dichas relaciones y ello implica la utilización <strong>del</strong> lenguaje numérico. En el caso<br />
<strong>del</strong> movimiento, una de las magnitudes físicas que lo describen es la longitud, que<br />
se define como la separación que existe entre dos puntos en el espacio. Su unidad<br />
de medición en el Sistema Internacional de Unidades es el metro (m), pero existen<br />
unidades de longitud auxiliares, como el centímetro (cm), milímetro (mm), kilómetro<br />
(km), entre otras. Además, en el sistema inglés se utilizan las millas, yardas,<br />
pulgadas, etcétera.<br />
El movimiento mecánico implica un cambio de posición, que representa físicamente<br />
una longitud recorrida por el cuerpo en movimiento, y en nuestro estudio<br />
la podremos manejar en dos formas: como una distancia recorrida, o bien, como un<br />
desplazamiento.<br />
Le llamaremos distancia recorrida a la longitud real de la trayectoria seguida<br />
por el cuerpo. <strong>La</strong> distancia, como tal, es una cantidad escalar, ya que no importa la<br />
dirección en la que el cuerpo se mueve, lo único que interesa es conocer cuánto se<br />
movió.<br />
Por otro lado, el desplazamiento se define como la distancia en línea recta a<br />
partir de la posición inicial hasta la posición final que tuvo el objeto. Es una cantidad<br />
vectorial, puesto que, además de la magnitud de la distancia en el cambio de posición,<br />
también tiene una dirección determinada.<br />
En la figura 2.3 se ilustra el movimiento de un cuerpo, en donde se aprecia la<br />
diferencia entre ambas cantidades.
38 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Fin<br />
desplazamiento<br />
distancia<br />
Inicio<br />
■ Figura 2.3 Distancia y desplazamiento.<br />
En la figura 2.3 se muestra la trayectoria (línea azul) seguida por una persona para<br />
llegar de la posición de inicio a la posición final. Mientras que el desplazamiento representa<br />
el cambio de posición medido en línea recta desde la posición inicial hasta<br />
la posición final, esta es una cantidad vectorial, pues tiene una dirección.<br />
Es de resaltar el hecho de que cuando se realiza un movimiento desde una posición<br />
inicial hasta una posición final y este no sigue una trayectoria recta, la distancia<br />
recorrida es diferente de la magnitud <strong>del</strong> desplazamiento. Sin embargo, cuando el<br />
movimiento o cambio de posición se realiza siguiendo una trayectoria rectilínea, la<br />
distancia recorrida corresponde exactamente con la magnitud <strong>del</strong> desplazamiento,<br />
como se observa en los siguientes ejemplos.<br />
EJEMPLO 2.1<br />
Un ciclista recorre 150 m a lo largo de una pista semicircular, como se muestra en la siguiente figura.<br />
Desplazamiento<br />
Distancia recorrida<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida?<br />
b) ¿Cuál fue su desplazamiento?<br />
Solución<br />
a) <strong>La</strong> distancia recorrida, de acuerdo con la definición, es la longitud real de la trayectoria recorrida por el<br />
cuerpo en cuestión. En este caso corresponde a los 150 m que el ciclista se movió a lo largo de la pista<br />
semicircular, esto es:<br />
x = 150 m<br />
Donde: x = es la distancia recorrida.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 39<br />
b) Para encontrar el desplazamiento usaremos la fórmula de la circunferencia, es decir,<br />
P = πD<br />
En la cual P = es el perímetro de la circunferencia (si la pista fuera un círculo completo), que en este<br />
caso sería el doble de la distancia recorrida.<br />
P = 2 * 150 m = 300 m<br />
D = es el diámetro de la circunferencia, que en este ejemplo corresponde al desplazamiento. Dado que<br />
el ciclista recorre solo media circunferencia, entonces, despejando D de la fórmula, tenemos:<br />
D = 300 m/3.14 = 95.49 m<br />
es decir:<br />
D = P/π<br />
x = 95.49 m desde la posición inicial hasta la posición final<br />
Donde: x = el desplazamiento.<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Como podemos ver en los cálculos anteriores, la distancia recorrida, que es de 150 m, es diferente de la<br />
magnitud <strong>del</strong> desplazamiento, que es de 95.49 m, lo que resulta fácil de observar en este sencillo ejemplo.<br />
EJEMPLO 2.2<br />
En una competencia olímpica se recorren 100 m planos.<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida por cada competidor?<br />
b) ¿Cuál es el desplazamiento de cada uno de ellos?<br />
Solución<br />
a) Dado que la trayectoria que describirá cada corredor durante la competencia es una línea recta, concluimos<br />
que la distancia recorrida es de 100 m.<br />
b) Dado que la trayectoria recorrida por los competidores es en línea recta, concluimos que el deslazamiento<br />
de cada uno de ellos es de 100 m desde la posición inicial hasta la posición final.
40 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Como se esperaba, cuando la trayectoria <strong>del</strong> movimiento es una línea recta, las magnitudes de la distancia<br />
recorrida y <strong>del</strong> desplazamiento son iguales, la única diferencia entre ellas es que el desplazamiento, al ser<br />
una cantidad vectorial, tiene una dirección, que en este caso la indicamos simplemente al decir: “desde la<br />
posición inicial hasta la posición final”.<br />
Hemos mencionado en estos últimos párrafos los términos de cantidad escalar y cantidad vectorial. No<br />
nos detendremos mucho en definirlos, pues no es la idea de este curso. Baste mencionar que una cantidad<br />
escalar es la que solo tiene magnitud y una cantidad vectorial es la que tiene magnitud y dirección.<br />
EJEMPLO 2.3<br />
Para llegar a su casa, una persona tiene que recorrer 75 m al este y después 45 m al norte, como se muestra<br />
en la figura.<br />
Desplazamiento<br />
Distancia recorrida = 45m<br />
Distancia recorrida = 75m<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida?<br />
b) ¿Cuál fue su desplazamiento?<br />
Solución<br />
a) <strong>La</strong> distancia recorrida, de acuerdo con la definición, es la longitud real de la trayectoria <strong>del</strong> cuerpo en<br />
cuestión, en este caso, corresponde a la suma de los dos recorridos realizados: 75 m + 45 m = 120 m.<br />
x = 120 m<br />
Donde: x = la distancia recorrida.<br />
b) Para encontrar el desplazamiento usaremos la fórmula <strong>del</strong> teorema de Pitágoras, es decir,<br />
c =<br />
a 2 + b 2<br />
En la cual, c corresponde a la hipotenusa, que c = en 75nuestro 2 + 45 2 = caso 86.46 sería m el desplazamiento realizado por la<br />
persona; a sería uno de los catetos y b c sería = a 2 el + otro. b 2<br />
c =<br />
75 2 + 45 2 = 86.46 m
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 41<br />
es decir:<br />
Donde: x = el desplazamiento.<br />
x = 86.46 m desde la posición inicial hasta la posición final.<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Como podemos ver en los cálculos anteriores, la distancia recorrida, que es de 120 m, es la longitud de todo<br />
el camino para llegar a su casa y la cual es diferente de la magnitud <strong>del</strong> desplazamiento, que es de 86.46 m,<br />
y es la distancia que lo separa en línea recta de su casa.<br />
EJEMPLO 2.4<br />
Una persona sale de su casa para hacer ejercicio y le da una vuelta a la manzana, regresa a su casa un tiempo<br />
después y realiza los recorridos que se observan en la figura.<br />
Distancia recorrida 250 m<br />
Distancia recorrida 500 m<br />
Distancia recorrida 350 m<br />
Distancia recorrida 400 m<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida?<br />
b) ¿Cuál fue su desplazamiento?<br />
Solución<br />
a) <strong>La</strong> distancia recorrida, de acuerdo con la definición, es la longitud real de la trayectoria <strong>del</strong> cuerpo en<br />
cuestión, en este caso corresponde a la suma de los dos recorridos realizados:<br />
400 m + 350 m + 500 m + 250 m = 1500 m.<br />
x = 1500 m<br />
Donde: x = la distancia recorrida.<br />
b) <strong>La</strong> persona terminó su recorrido en la misma posición donde empezó. Si tomamos en cuenta que la definición<br />
de desplazamiento es “la distancia en línea recta a partir de la posición inicial hasta la posición<br />
final que tuvo el objeto”, entonces podemos asegurar que el desplazamiento de la persona es 0 m.<br />
Es decir:<br />
x = 0 m desde la posición inicial hasta la posición final<br />
Donde x: = el desplazamiento.<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Como podemos ver en este ejercicio, la distancia recorrida, que es de 1500 m, es la longitud de todo el<br />
camino recorrido para llegar a su casa, mientras que su desplazamiento fue de 0 m, ya que la persona<br />
terminó su recorrido en el mismo lugar donde lo inició.
42 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
■ Actividad interesante<br />
Utiliza las herramientas de Google Map y mide la distancia y el desplazamiento que<br />
existe entre tu casa y la escuela donde estudias.<br />
Encuentra la distancia recorrida y el desplazamiento en los siguientes ejercicios.<br />
Problema Distancia Desplazamiento<br />
1. Una persona sale de su casa y recorre 80 m al sur y después<br />
100 m al este.<br />
2. Una persona le da una vuelta completa a una glorieta que<br />
tiene un diámetro de 250 m.<br />
3. Una persona camina en línea recta 60 m desde su casa hasta<br />
la tienda de la esquina.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 43<br />
Problema Distancia Desplazamiento<br />
4. Una persona sale de su casa y recorre 100 m al norte y<br />
después se regresa en dirección sur y recorre 60 m más y ahí<br />
se queda parada.<br />
5. Una persona sale de su oficina y recorre 50 m al este para<br />
comprar el periódico y después 90 m al oeste para comprar<br />
un refrigerio. Después de eso regresa a su oficina.<br />
2.1.6 Rapidez y velocidad<br />
Hasta ahora hemos hablado acerca <strong>del</strong> movimiento como un cambio de posición<br />
desde un punto de partida hasta un punto final <strong>del</strong> recorrido.<br />
Un conocimiento más profundo acerca <strong>del</strong> movimiento se logra cuando tomamos<br />
en cuenta el tiempo a través <strong>del</strong> cual se lleva a cabo el cambio de posición.<br />
Se le llama rapidez a la distancia recorrida por unidad de tiempo y se mide en<br />
metros por segundo (m/s) en el Sistema Internacional de Unidades. Es una medida<br />
que nos dice el grado de cambio de posición con respecto al tiempo y con ella podemos<br />
realizar predicciones acerca de las posiciones futuras que tendrá un cuerpo que<br />
se mueva. En forma algebraica:<br />
x<br />
v = t<br />
(1)<br />
En esta expresión, v representa la rapidez, x la distancia recorrida y t el tiempo durante<br />
el cual el cuerpo recorre dicha distancia, por lo tanto, como ya hemos mencionado,<br />
las unidades de la rapidez en el SI serían:<br />
L metro<br />
v[=] =<br />
T segundo<br />
<strong>La</strong>s anteriores unidades de rapidez corresponden al SI, sin embargo, cualquier unidad<br />
de longitud dividida entre cualquier unidad de tiempo representa también unidades<br />
de rapidez, por ejemplo, km/h, millas/h, cm/s, entre otras.<br />
<strong>La</strong> rapidez se considera una cantidad escalar, ya que no se requiere conocer la<br />
dirección <strong>del</strong> movimiento. Simplemente nos informa acerca de la distancia que va<br />
avanzando un cuerpo a medida que transcurre el tiempo.
44 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Por otra parte, se le llama velocidad a la relación que existe entre el desplazamiento<br />
de un cuerpo por cada unidad de tiempo que transcurre, y también se mide en<br />
metros por segundo (m/s). <strong>La</strong> velocidad es una cantidad vectorial, puesto que para<br />
calcularla está implícito el desplazamiento, que también es un vector, por lo tanto, la<br />
velocidad lleva una dirección que es la misma que la <strong>del</strong> desplazamiento.<br />
S<br />
S x<br />
v = (2)<br />
t<br />
Observa que en la expresión anterior se utiliza la notación vectorial colocando una<br />
flecha pequeña encima <strong>del</strong> símbolo de la velocidad (v ) y también <strong>del</strong> desplazamiento<br />
(x ).<br />
Esta diferencia entre rapidez y velocidad es importante puesto que, cuando se<br />
mueve un cuerpo, en la mayoría de las ocasiones su trayectoria no es rectilínea y, por<br />
lo tanto, la rapidez <strong>del</strong> cuerpo no coincide con la velocidad. Únicamente coinciden<br />
estas magnitudes cuando el movimiento <strong>del</strong> cuerpo es en línea recta.<br />
EJEMPLO 2.5<br />
Un camión se traslada de una ciudad A a otra ciudad B recorriendo 300 km a lo largo <strong>del</strong> camino durante 6<br />
h. <strong>La</strong> ciudad B se encuentra a 250 km hacia el noreste de la ciudad A.<br />
a) ¿Cuál es su rapidez al trasladarse por el camino?<br />
b) ¿Cuál es su velocidad?<br />
Solución<br />
Datos que tenemos:<br />
x = distancia recorrida = 300 km<br />
t = tiempo transcurrido = 6 h<br />
x = desplazamiento = 250 km
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 45<br />
a) Para calcular la rapidez <strong>del</strong> camión utilizaremos la fórmula (1) y sustituimos los datos que tenemos:<br />
x<br />
v = t<br />
300 km<br />
v = = 50 km/h<br />
6 h<br />
b) De la misma forma, para obtener la velocidad aplicamos la fórmula (2).<br />
S<br />
S<br />
x<br />
v = t<br />
S 250 km<br />
v = = 41.67 km/h hacia el NE<br />
6 h<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
De acuerdo con los resultados, observamos que la rapidez, en este caso, tiene un valor distinto que el de la<br />
velocidad, ya que el recorrido real fue por el camino entre las dos ciudades y de acuerdo con ellos tenemos<br />
que la rapidez nos dice cuántos kilómetros está avanzando el camión por la carretera en cada hora de tiempo<br />
transcurrido; mientras que la velocidad nos indica el desplazamiento por cada hora de tiempo transcurrido<br />
que el camión está obteniendo “como si” se estuviera moviendo directamente desde la ciudad A hasta la<br />
ciudad B, aun y cuando en ningún momento el camión se encuentre en esa recta imaginaria (línea punteada)<br />
entre A y B.<br />
EJEMPLO 2.6<br />
Un estudiante sale de su casa y tiene<br />
que recorrer 350 m al oeste y después<br />
250 m al sur para llegar a su escuela,<br />
que se encuentra al suroeste, como se<br />
muestra en la figura. Si el recorrido lo<br />
hace en 8 minutos:<br />
a) ¿Cuál es su rapidez?<br />
b) ¿Cuál es su velocidad?<br />
Solución<br />
Datos que tenemos:<br />
x = la distancia recorrida estaría dada por la suma de sus recorridos: 350 m + 250 m = 600 m.<br />
t = tiempo transcurrido = 8 minutos equivalentes a 480 segundos.<br />
x = desplazamiento, al igual que el ejemplo 2.3, lo calcularemos usando el teorema de Pitágoras.<br />
c =<br />
a 2 + b 2 =<br />
350 2 + 250 2 = 430.11 m<br />
a) Para calcular la rapidez <strong>del</strong> estudiante utilizaremos la fórmula (1) y sustituimos los datos que tenemos:<br />
x<br />
v = t<br />
600 m<br />
v = = 1.25 m/s<br />
480 s
46 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
b) Para calcular la velocidad, necesitaremos el desplazamiento; de la misma forma, para obtener la velocidad<br />
aplicamos la fórmula (2).<br />
S x<br />
v = t<br />
S 430.11 m<br />
v = = 0.89 m/s hacia el SO<br />
480 s<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Al igual que en el ejemplo anterior, la rapidez es diferente de la velocidad. <strong>La</strong> rapidez nos indica que el estudiante<br />
se estuvo moviendo a razón de 1.25 m por cada segundo de tiempo transcurrido al seguir la ruta real<br />
entre su casa y la escuela. Mientras que la velocidad nos indica que el desplazamiento en línea recta fue de<br />
0.89 m por cada segundo transcurrido, aun y cuando el estudiante nunca se movió en esta línea imaginaria<br />
(flecha) entre su casa y su escuela.<br />
S<br />
EJEMPLO 2.7<br />
Un corredor de 100 m planos recorre la pista en<br />
12 segundos. Encuentra:<br />
a) ¿Cuál es su rapidez?<br />
b) ¿Cuál es su velocidad?<br />
Solución<br />
Datos que tenemos:<br />
x = distancia recorrida = 100 m<br />
t = tiempo transcurrido = 12 s<br />
x = desplazamiento = 100 m<br />
a) Para calcular la rapidez de un corredor utilizaremos la fórmula (1) y sustituimos los datos que tenemos:<br />
x<br />
v = t<br />
100 m<br />
v =<br />
12 s<br />
v = 8.33 m/s<br />
b) De la misma forma, para obtener la velocidad aplicamos la fórmula (2).<br />
S<br />
v = 8.33<br />
m<br />
s<br />
S<br />
v =<br />
S<br />
S x<br />
v = t<br />
100 m<br />
12 s<br />
de su posición incial a su posición final<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
De acuerdo con los resultados, observamos que, a diferencia de los ejemplos anteriores, tanto la rapidez<br />
como la velocidad tienen el mismo valor, ya que la distancia recorrida por el corredor coincide con su desplazamiento,<br />
porque ambas son en línea recta entre el punto de salida y la meta.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 47<br />
Encuentra la rapidez y la velocidad de los siguientes ejercicios.<br />
Problema Rapidez Velocidad<br />
1. Una persona sale de su casa y recorre 5 km al este y después<br />
8 km al sur en media hora.<br />
2. Una persona le da una vuelta completa en bicicleta a una<br />
glorieta que tiene un diámetro de 305 m en 25 segundos.<br />
3. Una persona camina en línea recta 250 m desde su casa hasta<br />
la tienda de la esquina, y lo hace en 4 minutos.<br />
4. Una persona sale de su casa y recorre 5 km al norte y después<br />
se regresa en dirección sur y recorre nuevamente 5 km para<br />
llegar a su casa. El recorrido lo realiza en 15 minutos.<br />
5. Una persona sale de su casa y recorre 6800 m al este para<br />
comprar un refrigerio y después 9500 m al norte para ir a su<br />
oficina. El recorrido lo realiza en 20 minutos.
48 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
2.1.7 Rapidez media y velocidad media. Rapidez y velocidad instantánea<br />
Una vez que hemos definido la rapidez y la velocidad, estamos en condiciones de<br />
determinar los conceptos de rapidez media y velocidad media.<br />
Esto se refiere a que es muy común que cuando un cuerpo se mueve de una posición<br />
a otra lo haga con rapideces diferentes durante el recorrido. Como podemos<br />
pensar, en el ejemplo 2.5 el camión que se traslada de una ciudad a otra, en algún<br />
momento de su trayecto tendrá mayor rapidez que en otro. Quizás porque la carretera<br />
se encuentre con tramos donde existan muchas curvas y, por lo tanto, tendrá<br />
que avanzar con menor rapidez que en los tramos rectos. Lo mismo sucede con la<br />
velocidad, pues habrá momentos en los cuales el camión se desplace con mayor<br />
velocidad que en otros. De aquí deducimos que cuando un cuerpo se mueve puede<br />
tener diferentes rapideces y velocidades, razón por la cual definimos a la rapidez<br />
media como la relación que existe entre la distancia total recorrida por el cuerpo y<br />
el tiempo total transcurrido y velocidad media se define como la relación existente<br />
entre el desplazamiento total recorrido y el tiempo total transcurrido.<br />
Al igual que en los casos anteriores, la rapidez media es una cantidad escalar y<br />
la velocidad media es una cantidad vectorial.<br />
Cuando conocemos la rapidez media o la velocidad media de un objeto, estamos<br />
ante un dato que nos dice cómo se desplazó en general desde la posición inicial hasta<br />
la posición final, como si fuera siempre la misma, pero no nos da los detalles que<br />
pudieron ocurrir durante el viaje, como la rapidez o la velocidad en un instante o en<br />
un punto determinado de la trayectoria. Para ello se definen enseguida los conceptos<br />
de rapidez instantánea y velocidad instantánea.<br />
Volviendo al ejemplo <strong>del</strong> camión, ¿cómo podemos saber cuál era su rapidez en<br />
la mitad <strong>del</strong> tiempo transcurrido, es decir, a las 3 horas de iniciado el movimiento?<br />
¿O en cualquier otro instante <strong>del</strong> mismo? Para responder esta cuestión necesitamos<br />
reducir el intervalo de tiempo para saber qué distancia recorrió en ese tiempo y<br />
determinar su rapidez. Si de la misma forma vamos reduciendo cada vez más el<br />
intervalo de tiempo, llegaríamos a encontrar la rapidez o la velocidad en el instante<br />
que deseamos. En ese momento estaríamos hablando de la rapidez instantánea, que<br />
se define como la relación que existe entre la distancia recorrida en un intervalo de<br />
tiempo tan pequeño que tiende a cero.<br />
Distancia recorrida<br />
Distancia recorrida<br />
Distancia recorrida<br />
Distancia recorrida<br />
a) Rapidez media = Distancia total/ tiempo total b) Rapidez instantánea = Distancia recorrida/Intervalo de tiempo<br />
■ Figura 2.4 Representación de la rapidez media (izquierda) y la rapidez instantánea (derecha).
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 49<br />
Observa las figuras anteriores. <strong>La</strong> rapidez media <strong>del</strong> automóvil la obtendríamos dividiendo<br />
la distancia recorrida desde que inició el salto hasta la posición final a la<br />
derecha, entre el tiempo que transcurrió (izquierda); pero la rapidez instantánea (en<br />
realidad una aproximación) sería la que se tiene exactamente en cada uno de los<br />
intervalos que se observan en la figura 2.4 (derecha) y para obtenerla tendríamos<br />
que dividir la distancia recorrida en cada uno de esos intervalos entre el tiempo<br />
transcurrido entre ellos. De la misma forma, si quisiéramos encontrar la velocidad<br />
instantánea, procederíamos obteniendo el desplazamiento recorrido en cada uno de<br />
esos intervalos y dividiéndolo entre el tiempo transcurrido.<br />
Piensa en la conducción de un automóvil, el cual tiene un velocímetro que en<br />
realidad nos indica su rapidez, pero no marca la rapidez media, solo la rapidez instantánea<br />
con que el automóvil se mueve en cada momento. Como puedes observar,<br />
la aguja <strong>del</strong> velocímetro difícilmente permanece en una posición fija, constantemente<br />
cambia de valor, pues va indicando la rapidez en cada instante de tiempo transcurrido,<br />
es decir, la rapidez instantánea.<br />
2.1.8 Aceleración<br />
Uno de los conceptos básicos de la Cinemática es la aceleración. Se refiere al cambio<br />
en la rapidez o en la velocidad de los cuerpos cuando se mueven, tomando en cuenta<br />
el tiempo que transcurre durante el cambio.<br />
Considerando la aceleración como un cambio en la velocidad y recordando que es<br />
una cantidad vectorial que tiene magnitud y dirección, pensemos un poco en las<br />
formas en que puede cambiar la velocidad. Una de ellas puede ser cuando la velocidad<br />
aumenta, pues incrementa su magnitud. Lógicamente, otra forma es cuando<br />
la velocidad disminuye, pero también cambia cuando cambia la dirección <strong>del</strong> movimiento<br />
<strong>del</strong> cuerpo, aunque no cambie su magnitud. En cualquiera de esos casos<br />
existe aceleración.<br />
De acuerdo con los fines de la presente etapa, nos concentraremos únicamente<br />
en las dos primeras formas, es decir, consideraremos la aceleración que resulta de<br />
los cambios en la magnitud de la velocidad. <strong>La</strong> otra forma de aceleración la estudiaremos<br />
en etapas posteriores.<br />
Para obtener el valor de la aceleración, usualmente se toman en cuenta dos velocidades<br />
diferentes, de las muchas que puede tomar el móvil, y el tiempo transcurrido<br />
entre ellas, esto es, entre la velocidad inicial y la velocidad final, entonces la aceleración<br />
la podemos definir como la razón de cambio de la velocidad por unidad de<br />
tiempo y, expresada en forma algebraica, tenemos:
50 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
¢v<br />
a = (3)<br />
¢t<br />
El símbolo representa un cambio, incremento ¢v = v f<br />
- v<br />
¢v i o diferencia entre una cantidad final<br />
y una cantidad inicial, es decir:<br />
¢v<br />
¢t a = t ¢t<br />
f ¢t - t i<br />
¢v f i<br />
(4)<br />
¢v = v<br />
y<br />
f<br />
- v i<br />
¢t f ¢t = t i<br />
f<br />
- t i<br />
(5)<br />
Donde:<br />
v f<br />
= velocidad final<br />
v i<br />
= velocidad inicial<br />
t f<br />
= tiempo final<br />
t i<br />
= tiempo inicial<br />
Entonces, las expresiones (4) y (5) representan, respectivamente, el cambio de velocidad<br />
<strong>del</strong> cuerpo y el intervalo de tiempo transcurrido en dicho cambio.<br />
También podemos escribir esta expresión sustituyendo de la siguiente forma:<br />
v f<br />
- v i<br />
a = (6)<br />
tf - t i<br />
¿En qué unidades se mide la aceleración?<br />
Para responder a esta cuestión tomamos la fórmula de la definición de aceleración<br />
(3) y hacemos un análisis dimensional de la siguiente forma:<br />
¢v m/s<br />
a = [=] = m/s 2<br />
¢t s<br />
De acuerdo con estas unidades, se deduce que la aceleración nos informa <strong>del</strong> grado<br />
de cambio de velocidad por cada segundo de tiempo transcurrido.<br />
<strong>La</strong> aceleración puede ser positiva, lo cual se presenta cuando existe un aumento<br />
en la velocidad <strong>del</strong> cuerpo, es decir, cuando su velocidad final es mayor que su<br />
velocidad inicial. <strong>La</strong> aceleración también puede ser negativa, en el caso contrario,<br />
cuando la velocidad final es menor que la velocidad inicial, en tal situación decimos<br />
que el movimiento es retardado. Cuando no hay cambio en la velocidad, lógicamente<br />
no existe aceleración.<br />
EJEMPLO 2.8<br />
Un automovilista circula por una zona escolar a 30 km/h y, al salir de ella, acelera y su velocidad aumenta<br />
a 60 km/h en 5 segundos. ¿Cuál fue su aceleración?<br />
Solución<br />
Datos que tenemos:<br />
v i<br />
= 30 km/h (la velocidad inicial)<br />
v f<br />
= 60 km/h (la velocidad final)
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 51<br />
t f<br />
= 5 segundos (el tiempo transcurrido)<br />
t i<br />
= 0 (en este ejemplo se considera que el tiempo se comienza a contar desde cero)<br />
¿Qué estamos buscando? <strong>La</strong> aceleración.<br />
a = ¿?<br />
¿Qué debemos hacer primero?<br />
Dado que las velocidades están expresadas en km/h, hay que transformarlas a m/s.<br />
km 1000 m 1 h<br />
v i<br />
= 30<br />
= 8.33 m/s<br />
h 1 km<br />
¯˚˙3600 s<br />
km<br />
km<br />
1000<br />
1000<br />
m<br />
m<br />
1 h<br />
v<br />
1 h<br />
i<br />
=<br />
v<br />
30<br />
f<br />
= 60<br />
= 8.33<br />
= 16.67<br />
m/s<br />
h<br />
m/s<br />
h<br />
1 km<br />
1 km<br />
¯˚˙3600<br />
¯˚˙3600<br />
s<br />
s<br />
¿Cuál es el siguiente paso?<br />
km 100016.67 m 1 mh<br />
v f<br />
= 60 v - 8.33 m/s<br />
f<br />
- v = 16.67 m/s<br />
Sustituir los datos en la fórmula de i s<br />
a aceleración: h 1 km<br />
¯˚˙3600 s<br />
= =<br />
= 1.668 m/s<br />
5s - 0s<br />
2<br />
tf - t i<br />
16.67 m<br />
v - 8.33 m/s<br />
f<br />
- v i s<br />
a = =<br />
= 1.668 m/s<br />
5s - 0s<br />
2<br />
tf - t i<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
Este resultado se puede redondear a centésimas y queda como:<br />
a = 1.67 m/s 2<br />
Análisis de resultados:<br />
Si analizamos el resultado de la aceleración, encontramos que, como la velocidad final es mayor que la<br />
inicial, tiene signo positivo.<br />
<strong>La</strong> magnitud de la aceleración nos indica que la velocidad <strong>del</strong> automóvil está aumentando en 1.67 m/s<br />
en cada uno de los 5 segundos que ocurrió el cambio de velocidad. Para visualizar mejor este resultado<br />
veamos la figura 2.5.<br />
t 0<br />
= 0 t = 1 s t = 2 s t = 3 s t = 4 s t = 5 s<br />
v 0<br />
= 8.33 m/s v = 10 m/s v = 11.67 m/s v = 13.34 m/s v = 15.00 m/s v = 16.67 m/s<br />
■ Figura 2.5 Representación de la magnitud de aceleración <strong>del</strong> problema planteado.
52 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
EJEMPLO 2.9<br />
Un automovilista circula por una calle a 90 km/h y, al acercarse a una zona peatonal, disminuye su velocidad<br />
a 35 km/h en 10 segundos. ¿Cuál fue su aceleración?<br />
Datos que tenemos:<br />
v i<br />
= 90 km/h (la velocidad inicial)<br />
v f<br />
= 35 km/h (la velocidad final)<br />
t f<br />
= 8 segundos (el tiempo transcurrido)<br />
t i<br />
= 0 (en este ejemplo se considera que el tiempo se comienza a contar desde cero)<br />
¿Qué estamos buscando? <strong>La</strong> aceleración.<br />
a = ?<br />
¿Qué debemos hacer primero?<br />
Dado que las velocidades están expresadas en km/h hay que transformarlas a m/s.<br />
km 1000 m 1 h<br />
v i<br />
= 90<br />
= 25 m/s<br />
h 1 km<br />
¯˚˙3600 s<br />
km 1000 m 1 h<br />
v i<br />
= 90 km 1000 m 1 h= 25 m/s<br />
v f<br />
= 35 h 1 km<br />
¯˚˙3600 s = 9.72 m/s<br />
h 1 km<br />
¯˚˙3600 s<br />
km 1000 m 1 h<br />
¿Cuál es el siguiente paso? v f<br />
= 35<br />
m = 9.72 m/s<br />
Sustituir los datos en la fórmula de aceleración: vh<br />
9.72 - 25 m/s<br />
f<br />
- v1 km<br />
¯˚˙3600 s<br />
i s<br />
a = =<br />
= –1.528 m/s<br />
10s - 0s<br />
2<br />
tf - t i<br />
m<br />
v 9.72 - 25 m/s<br />
f<br />
- v i s<br />
a = =<br />
= –1.528 m/s<br />
10s - 0s<br />
2<br />
tf - t i<br />
¯˚˙ ¯˚˙<br />
¯˚˙ ¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
Este resultado se puede redondear a centésimas y queda como:<br />
a = -1.53 m/s 2<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Si analizamos el resultado, tenemos que, como la velocidad final es menor que la inicial, obtendremos una<br />
aceleración con signo negativo. Cuando esto sucede, recibe el nombre de desaceleración o frenado.<br />
<strong>La</strong> magnitud de la aceleración nos indica que la velocidad <strong>del</strong> automóvil está disminuyendo a razón<br />
de 1.53 m/s por cada segundo transcurrido en el cambio de velocidad. Para visualizar mejor este resultado<br />
veamos la figura 2.6.<br />
t 0<br />
= 0 t = 2 s t = 4 s t = 6 s t = 8 s t = 10 s<br />
v 0<br />
= 25 m/s v = 21.94 m/s v = 18.88 m/s v = 15.83 m/s v = 12.77 m/s v = 9.72 m/s<br />
■ Figura 2.6 Representación de la magnitud de aceleración <strong>del</strong> problema planteado.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 53<br />
En la siguiente actividad encuentra lo que se te solicita. No olvides incluir todo el<br />
procedimiento <strong>del</strong> problema, así como la interpretación <strong>del</strong> resultado.<br />
Problema Procedimiento Análisis<br />
1. Una persona parte <strong>del</strong> reposo y empieza a<br />
correr; 10 segundos después su velocidad es<br />
de 9 km/h. ¿Cuál es su aceleración?<br />
2. Un automóvil se mueve a 60 km/h y frena<br />
hasta detenerse completamente en 15<br />
segundos. ¿Cuál fue su aceleración?<br />
2.2 Conceptos básicos de Dinámica<br />
2.2.1 Inercia y masa<br />
En el estudio <strong>del</strong> movimiento analizamos cuerpos, objetos y cosas que cambian de<br />
posición, las cuales poseen propiedades que hay que tomar en cuenta cuando se<br />
mueven para comprender mejor las características <strong>del</strong> movimiento. Una de esas propiedades<br />
es la inercia. ¿Qué es?, ¿cómo se manifiesta?, ¿en qué condiciones?<br />
Podemos iniciar con recordar lo que sucede cuando abordamos un automóvil.<br />
¿Qué es lo primero que se recomienda antes de encenderlo? Lo recomendable es<br />
colocarse el cinturón de seguridad. ¿Te has preguntado para qué se sirven? Precisamente<br />
para que cuando se presente la inercia, se prevengan daños a los ocupantes<br />
en caso de algún accidente, ya que el cinturón evita que el pasajero se golpee con el<br />
tablero si el vehículo choca con algo. Otro ejemplo: muchos asientos de automóviles<br />
están provistos de cabeceras. ¿Cuál es su función? De nuevo podemos decir que<br />
sirven para que cuando se presente la inercia, se prevengan daños en el cuello de los<br />
ocupantes en caso de que otro vehículo los golpee por detrás.
54 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
<strong>La</strong> inercia se refiere a la tendencia que tienen todos los cuerpos de permanecer como<br />
están, es decir, es la tendencia de seguir en el mismo estado, ya sea de reposo o de<br />
movimiento rectilíneo uniforme. Cuando una persona viaja en un automóvil, se encuentra<br />
en movimiento, y cuando ocurre algún caso imprevisto, como una frenada<br />
repentina, la persona tiende a seguir en movimiento, por ello es necesario colocarse<br />
el cinturón de seguridad, de lo contrario podría lastimarse con el tablero <strong>del</strong> vehículo.<br />
Cuando una persona viaja en un automóvil y otro lo golpea por detrás, la cabecera<br />
<strong>del</strong> asiento evita que su cabeza se mueva bruscamente hacia atrás y que se lastime.<br />
<strong>La</strong> inercia actúa en la cabeza y la cabecera la protege.<br />
Podemos mencionar otros muchos ejemplos de inercia, pero te recomendamos<br />
que, en una lluvia de ideas en grupo, propongan algunos en donde se manifieste la<br />
inercia. Te aseguramos que habrá muchos y que comprenderás mejor esta propiedad<br />
natural de todos los cuerpos.<br />
Hablemos ahora de la masa. ¿Qué es? <strong>La</strong> masa tiene que ver con la inercia, ya<br />
que un cuerpo tendrá una inercia en relación con su masa. De hecho, se define como<br />
la medida cuantitativa de la inercia, que es la propiedad de los cuerpos de conservar<br />
su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme y la masa es la medida<br />
numérica de dicha propiedad.<br />
Para ejemplificarlo pensemos en que tenemos que mover unos muebles en casa:<br />
una silla <strong>del</strong> comedor y un escritorio. ¿Cuál de ellos tiene más inercia? Pues el que<br />
tenga más masa. Obviamente el escritorio, pues al empujarlo tiene una mayor tendencia<br />
a permanecer en reposo que la silla. Esta la podemos empujar con facilidad<br />
porque, al tener menos masa, tiene menor cantidad de inercia que el escritorio. Así,<br />
en términos generales, podemos decir que a mayor masa un cuerpo tendrá mayor<br />
inercia, y a menor masa menor inercia.<br />
También es una de las magnitudes físicas fundamentales y en el Sistema Internacional<br />
de Unidades se mide en kilogramos. Otras unidades de masa son los gramos,<br />
las toneladas, las onzas, etcétera.<br />
2.2.2 Fuerza<br />
En el estudio <strong>del</strong> movimiento, un concepto fundamental es el de fuerza. <strong>La</strong> fuerza se<br />
define como todo agente capaz de producir un cambio en el estado de movimiento<br />
de un cuerpo, o bien, de ocasionarle alguna deformación. Como lo dice la definición,<br />
la fuerza actúa sobre el movimiento de los cuerpos y les produce cambios. ¿Cuáles<br />
cambios en el movimiento se efectúan debido a la aplicación de fuerzas? Pueden<br />
ser varios. Por ejemplo, un cuerpo se encuentra en estado de reposo (velocidad inicial<br />
= 0) y al aplicarle la fuerza empieza a moverse (velocidad final > 0), es decir,
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 55<br />
puede ocurrir un cambio en la velocidad para que el cuerpo se mueva. Otro cambio<br />
puede ser el contrario, es decir, que el cuerpo se encuentre en movimiento y luego<br />
se detenga hasta llegar al reposo, esto ocurre como consecuencia de la aplicación de<br />
alguna fuerza. Un tercer caso podría ser cuando un cuerpo viaja en línea recta y más<br />
a<strong>del</strong>ante da vuelta, es decir, hubo un cambio de dirección. Esto también se debe a la<br />
aplicación de alguna fuerza sobre ese cuerpo. Generalizando los ejemplos anteriores,<br />
podemos decir que cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo, puede ocurrir un<br />
cambio en su velocidad, sea de menor a mayor o viceversa, o bien, un cambio en su<br />
dirección.<br />
¿Qué significa esto? Que un cuerpo puede encontrarse en estado de reposo, es decir,<br />
sin movimiento con respecto a un sistema de referencia, y ese es un estado de<br />
equilibrio, pues si actúan fuerzas sobre él, estas se encuentran balanceadas, de tal<br />
forma que no se produce ningún cambio en su movimiento. Desde un punto de vista<br />
inercial, el reposo es un estado natural de los cuerpos, pues su tendencia es continuar<br />
en reposo dadas las características de la inercia, como se definió anteriormente.<br />
El otro estado natural de los cuerpos es el de movimiento. Los cuerpos presentan<br />
el movimiento por diversas causas en nuestro entorno, como el movimiento de los<br />
seres vivos, el viento, el agua, los automóviles, aviones, etcétera, o bien, a nivel microscópico,<br />
como el movimiento de las moléculas en un gas, el de los glóbulos rojos<br />
y blancos en el torrente sanguíneo, entre otros, o también a nivel macroscópico,<br />
como el movimiento de los astros, los cometas, los planetas y las galaxias. Pero la<br />
tendencia natural de los cuerpos no es cualquier tipo de movimiento, sino el movimiento<br />
rectilíneo y uniforme. Y es también un estado de equilibrio, ya que cuando<br />
un cuerpo lo presenta, no cambia de velocidad ni de dirección, es decir, cuando un<br />
cuerpo se mueve, su tendencia es moverse en línea recta y con velocidad constante.<br />
Si el movimiento no es así, significa que el cuerpo se encuentra bajo la acción de<br />
alguna fuerza no balanceada que lo hace que sufra un cambio, ya sea en su velocidad<br />
o en su dirección, es decir, no está en equilibrio.<br />
2.2.3 Tipos de fuerzas de la naturaleza<br />
De todos los ejemplos de fuerza que podamos citar, los físicos han determinado que,<br />
en general, todos caen en alguno de los siguientes tipos:<br />
a) Fuerzas gravitacionales o gravitatorias. Son las fuerzas que actúan en función<br />
de las masas de los cuerpos y de la distancia que existe entre ellos.<br />
Nuestro planeta, la Tierra, ejerce este tipo de fuerzas sobre los objetos cer-
56 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
canos a su superficie, atrayéndolos y produciendo la caída libre, o bien,<br />
regresando a los cuerpos hacia ella cuando los lanzamos directamente hacia<br />
arriba. Como se decía antiguamente, “todo lo que sube tiene que bajar”. Este<br />
efecto se debe a la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre los cuerpos.<br />
Sin embargo, la gravedad actúa sobre todos los cuerpos con masa, pudiendo<br />
ser objetos <strong>del</strong> mundo microscópico o <strong>del</strong> macroscópico. Nada (con masa)<br />
escapa a la gravedad. <strong>La</strong> fuerza gravitatoria tiene la característica de que<br />
siempre es de atracción.<br />
b) Fuerzas electromagnéticas. Son las fuerzas cuyo origen se encuentra en una<br />
propiedad que poseen ciertas partículas: la carga eléctrica. Cuando un objeto<br />
posee carga eléctrica, puede interactuar con otro que también la tenga.<br />
Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva, que es la carga <strong>del</strong> protón, y<br />
negativa, que es la carga <strong>del</strong> electrón. Como es sabido, toda la materia está<br />
compuesta por partículas microscópicas: los átomos. Y a su vez se componen<br />
de otras partículas aún más pequeñas: protones, electrones y neutrones.<br />
Entonces, cuando por alguna causa una sustancia presenta cambios en la<br />
cantidad de electrones de sus átomos, se produce un desequilibrio de cargas<br />
y, por lo tanto, se manifiestan las fuerzas electromagnéticas.<br />
c) Fuerzas nucleares. Este tipo de fuerzas se originan en los componentes <strong>del</strong><br />
núcleo de los átomos, las cuales mantienen unida estas partículas. Hay dos<br />
tipos de fuerzas nucleares: la fuerza nuclear fuerte, que actúa en los llamados<br />
“nucleones”, que son los componentes <strong>del</strong> átomo, y la fuerza nuclear<br />
débil, que actúa en su interior. Este tipo de fuerzas es de gran intensidad,<br />
pero de muy corto alcance, distancias <strong>del</strong> orden <strong>del</strong> tamaño <strong>del</strong> núcleo de<br />
los átomos (alrededor de 1 femtómetro), a diferencia de las fuerzas de largo<br />
alcance, como las de gravedad y las interacciones electromagnéticas.<br />
2.2.4 Masa y peso<br />
Ya en el apartado anterior hablamos sobre las fuerzas gravitatorias, estableciendo que<br />
son fuerzas que actúan entre los cuerpos y están en función de las masas de los mismos<br />
y la distancia entre ellos. Hablaremos ahora de lo que se conoce como el peso de<br />
los cuerpos. Se le llama peso a la fuerza de atracción gravitatoria que actúa sobre un<br />
cuerpo que se encuentra en o cerca de la superficie de la Tierra o de otro planeta. Debe<br />
quedar claro que el peso es eminentemente una fuerza y, como tal, puede modificar
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 57<br />
el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, a diferencia de la masa, que no es<br />
una fuerza, sino la medida de la inercia o de la tendencia de los cuerpos a conservar<br />
su estado actual de reposo o de movimiento rectilíneo y uniforme.<br />
El peso no es la masa, o la masa no es lo mismo que el peso. <strong>La</strong> masa es una<br />
propiedad inherente a un cuerpo, es una característica de un cuerpo en particular.<br />
En cambio, el peso no es una característica particular de un cuerpo porque puede<br />
cambiar en circunstancias dadas por su posición con respecto a su distancia a la<br />
superficie (o mejor dicho al centro) de la Tierra o <strong>del</strong> planeta en el que se encuentre.<br />
Incluso, el peso puede considerarse cero en el caso en que un cuerpo se encuentre<br />
en el espacio interplanetario, lejos de la atracción gravitatoria de cualquier planeta,<br />
sin embargo, su masa se conserva intacta en la Tierra, en otro planeta o en el mismo<br />
espacio interplanetario.<br />
Es común confundir la masa y el peso de un cuerpo. Esto se debe a que en la mayoría<br />
de los países se acostumbra medir la cantidad de materia de un cuerpo en función<br />
de su masa expresada en kilogramos, gramos, toneladas, etcétera. Sin embargo,<br />
cuando una persona se coloca sobre una báscula para medir su peso, obtiene una<br />
lectura <strong>del</strong> mismo, ya que la báscula mide la fuerza con que la persona comprime la<br />
báscula hacia abajo (hacia el centro de la Tierra), pero dicha lectura se expresa en<br />
kilogramos, que como dijimos, son unidades de masa. Entonces, ¿qué mide la báscula?,<br />
¿el peso o la masa? En realidad, mide el peso (la fuerza de compresión debida<br />
a la gravedad), pero con unidades correspondientes a la masa. En nuestro estudio de<br />
Física en este curso y en los siguientes consideraremos el peso como lo que es, una<br />
fuerza, y lo expresaremos en unidades de fuerza, como lo son el newton o la dina,<br />
las cuales definiremos más a<strong>del</strong>ante.<br />
Tierra<br />
98<br />
newtons<br />
10 kg<br />
16<br />
newtons<br />
Luna<br />
10 kg
58 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
■ Isaac Newton propuso las leyes<br />
<strong>del</strong> movimiento.<br />
2.3 Leyes <strong>del</strong> movimiento:<br />
Primera, segunda y tercera leyes de Newton<br />
<strong>La</strong> ciencia <strong>del</strong> movimiento se refiere al estudio sistemático de este fenómeno lo más<br />
apegado a la metodología científica. Ésta se basa en principios y leyes probadas<br />
con anterioridad por estudiosos e investigadores de este fenómeno, entre los cuales<br />
podemos mencionar a muchos personajes como Aristóteles, Ptolomeo, Copérnico,<br />
Kepler, Galileo, Newton y Einstein.<br />
Pensamos que para acceder a este conocimiento y aplicarlo en situaciones útiles<br />
para nuestro entorno o situación personal es necesario, en primer lugar, conocer y<br />
comprender dichas leyes y principios. Entender el comportamiento de los cuerpos<br />
cuando se mueven nos dará la infraestructura conceptual necesaria y la posibilidad<br />
de profundizar en su estudio matemático y análisis gráfico posteriormente. Por ello<br />
decidimos dar un giro a los cursos tradicionales de Física que, a nuestro modo de ver,<br />
inician con el análisis matemático y gráfico <strong>del</strong> movimiento para continuar con el<br />
estudio de las leyes <strong>del</strong> movimiento más a<strong>del</strong>ante, lo cual ha traído muchas dificultades<br />
de aprendizaje para el estudiante, pues no logra conectar los conceptos teóricos<br />
con la parte de aplicación en la resolución de ejercicios numéricos, ya que hemos<br />
pretendido que aplique un conocimiento antes de haberlo comprendido.<br />
Dicho lo anterior, procedemos al abordaje de las leyes <strong>del</strong> movimiento propuestas<br />
por el físico inglés Isaac Newton, basado, como él mismo lo dijo, en los estudios<br />
de los “gigantes” que le precedieron como Copérnico, Kepler y Galileo.<br />
2.3.1 Primera ley <strong>del</strong> movimiento<br />
Es una ley fundamental para comprender el comportamiento de los cuerpos cuando<br />
se mueven, e incluso cuando se encuentran en reposo, y tiene que ver con lo que ya<br />
mencionamos anteriormente sobre los conceptos de inercia y masa.<br />
Para cumplir con los propósitos de este curso, podemos decir que la primera ley<br />
de Newton establece lo que le sucede a un cuerpo cuando se encuentra en equilibrio de<br />
traslación. Pero, ¿qué es el estado de equilibrio de traslación de un cuerpo?<br />
Como ya mencionamos al principio de esta etapa, un cuerpo tiene movimiento<br />
de traslación cuando pasa de una posición a otra en el espacio y a través <strong>del</strong> tiempo de<br />
tal forma que todas sus partes siguen la misma trayectoria. En este caso, el equilibrio<br />
de traslación se referirá a cuando un cuerpo se encuentra en ese tipo de movimiento,<br />
dado que podemos definir otros tipos de equilibrio, pero en nuestro caso trataremos<br />
únicamente el de traslación.<br />
Para decirlo de manera sencilla, la primera ley de Newton establece cuáles son<br />
los dos estados naturales en que se puede encontrar un cuerpo. Un cuerpo puede<br />
encontrarse en estado de reposo con respecto a un sistema de referencia. Este es un<br />
estado natural y, por lo tanto, lo llamamos estado de equilibrio estático. El otro estado<br />
natural es el estado de movimiento, pero no cualquier tipo de movimiento, sino<br />
un movimiento en línea recta y uniforme, es decir, con velocidad constante, al que<br />
podemos considerar un estado de equilibrio cinético o dinámico. Tales son las formas<br />
en que un objeto en el espacio o en el Universo en general puede encontrarse de<br />
manera natural y de eso trata la primera ley <strong>del</strong> movimiento, mejor conocida como<br />
primera ley de Newton, cuyo enunciado presentamos a continuación:
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 59<br />
Todo cuerpo permanecerá en estado de reposo o de movimiento rectilíneo<br />
uniforme, a no ser que actúe sobre él una fuerza externa que lo haga cambiar.<br />
Ahora bien, volviendo al estado de equilibrio, para que un cuerpo se encuentre en<br />
alguno de esos estados de equilibrio, puede ser que sobre este no actúe ninguna fuerza,<br />
lo cual es extremadamente improbable, por no decir que imposible; o bien, que<br />
se encuentre bajo la acción de fuerzas de tal forma que se nulifiquen unas con otras<br />
y su fuerza resultante sea igual a cero.<br />
Tampoco debemos perder de vista lo que llamamos el sistema de referencia,<br />
puesto que es con respecto a dicho sistema que un cuerpo puede encontrarse en<br />
reposo o en movimiento. De no establecer el sistema de referencia para definir la posición<br />
de los cuerpos, no podríamos tener certidumbre <strong>del</strong> movimiento ni <strong>del</strong> estado<br />
que este posee en el espacio y a través <strong>del</strong> tiempo.<br />
Pero, ¿qué tiene que ver esto con la masa y la inercia de un cuerpo? Todo: es<br />
decir, cuando un cuerpo está en reposo (estado de equilibrio estático), su tendencia<br />
natural es mantener ese estado de reposo, por eso dice la primera ley: “todo cuerpo<br />
permanecerá en estado de reposo…” Solo una fuerza externa no balanceada podrá<br />
cambiar ese estado de reposo <strong>del</strong> cuerpo al aplicársela para vencer la inercia.<br />
De la misma forma, si un cuerpo se encuentra en movimiento, su tendencia natural<br />
es mantener el movimiento en línea recta y con velocidad constante (estado de<br />
equilibrio cinético), como lo establece la primera ley en su enunciado posterior “…o<br />
de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza externa actúe sobre él”.<br />
De nuevo, si una fuerza externa no balanceada o no equilibrada actúa sobre el cuerpo,<br />
entonces su movimiento presentará algún cambio, que puede ser en la velocidad,<br />
o bien, en la dirección <strong>del</strong> mismo. <strong>La</strong> siguiente figura ejemplifica la primera ley.<br />
F<br />
F R<br />
2.3.2 Segunda ley <strong>del</strong> movimiento<br />
Cuando un cuerpo sufre un cambio en su movimiento, implica que ya no se encuentra<br />
en estado de equilibrio, ni estático ni cinético, y si esto sucede, entonces existe<br />
una aceleración, es decir, un cambio en la velocidad <strong>del</strong> cuerpo o un cambio en su<br />
dirección. En este caso se aplica la segunda ley <strong>del</strong> movimiento o segunda ley de<br />
Newton.<br />
Podemos analizar la segunda ley de Newton en dos partes. Primero, en lo que<br />
respecta a un cuerpo cuando no se encuentra en equilibrio, es decir, el cuerpo se<br />
encuentra bajo la acción de una fuerza neta diferente de cero. ¿Qué ocurre en este<br />
caso? Que dicha fuerza le produce al cuerpo un movimiento acelerado. Esta parte es<br />
importante comprenderla en su profundidad requerida, puesto que nos facilitará más<br />
a<strong>del</strong>ante el análisis de situaciones donde podemos calcular fuerzas.
60 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Como ejemplos de casos en donde los cuerpos no se encuentran en equilibrio<br />
citamos los siguientes: imagina que estás en un automóvil y el conductor se dispone<br />
a arrancar, este parte <strong>del</strong> reposo y avanza hasta que adquiere su velocidad deseada.<br />
En ese intervalo entre el arranque y la adquisición de su velocidad de crucero, el automóvil<br />
(en conjunto con los tripulantes) se encuentra en movimiento acelerado. <strong>La</strong><br />
fuerza <strong>del</strong> motor <strong>del</strong> vehículo produce la aceleración hasta que el conductor adquiera<br />
una velocidad adecuada y a partir de ahí el auto se sigue moviendo, pero ahora<br />
con velocidad constante, es decir, se equilibra nuevamente. Durante ese intervalo<br />
de cambio de velocidad se revela la segunda ley de Newton, esto es, el auto no está<br />
en equilibrio, actúa una fuerza neta diferente de cero y le confiere al vehículo una<br />
aceleración. También en ese intervalo se manifiesta la inercia, que podemos percibir<br />
cuando nuestro cuerpo se “hace para atrás” cuando el automóvil arranca porque el<br />
cuerpo tiende a quedarse en reposo.<br />
Si continuamos con el mismo ejemplo, podemos observar que la segunda ley<br />
de Newton también se aplica cuando el conductor acciona el freno para detenerse.<br />
En este caso habrá un cambio en la velocidad, desde la que llevaba en el trayecto<br />
hasta cero, cuando se detiene completamente. Existe la fuerza de los frenos, el<br />
cambio en la velocidad y la aceleración, que en este caso será negativa por la dirección<br />
de la fuerza en contra <strong>del</strong> movimiento. También aquí se manifiesta la inercia<br />
y más si el conductor aplica el freno bruscamente. ¿Qué pasa? Nuestro cuerpo<br />
tiende a seguir en movimiento y sentimos como un empujón hacia a<strong>del</strong>ante.<br />
Comenta con tus compañeros y tu maestro otros ejemplos en donde se aplique<br />
la segunda ley de Newton y que se manifieste la inercia. Te aseguramos que existen<br />
muchos y su análisis te ayudará a la mejor comprensión de esta importante ley.<br />
Como hemos mencionado, la ley se aplica cuando el movimiento de un cuerpo<br />
está cambiando. Hay que recordar que para nuestro curso únicamente consideraremos,<br />
por lo pronto, el movimiento en línea recta, es decir, que el cuerpo no cambiará<br />
de dirección, por lo que analizaremos solamente los cambios en la magnitud de su<br />
velocidad, esto es, su aceleración.<br />
<strong>La</strong> segunda parte que podemos analizar de la segunda ley de Newton es el comportamiento<br />
<strong>del</strong> cuerpo en situaciones de no equilibrio. Newton descubrió que si un<br />
cuerpo se encuentra bajo la acción de una fuerza neta diferente de cero, entonces el<br />
cuerpo está acelerado y lo describe mediante la siguiente frase:<br />
Si un cuerpo se encuentra bajo la acción de una fuerza neta diferente de cero,<br />
entonces la aceleración producida es directamente proporcional a la fuerza e<br />
inversamente proporcional a la masa <strong>del</strong> cuerpo.<br />
a F Neta<br />
Expresado en forma algebraica, esta expresión m queda así:<br />
a = F Neta<br />
m<br />
Lo cual significa que cuanto mayor es F Neta<br />
la = magnitud m # a de la fuerza neta o resultante<br />
que actúa sobre el cuerpo, mayor es la aceleración que esta fuerza le produce y, con<br />
F[=]kg # m/s<br />
respecto a la masa, la relación es inversa, es decir, 2<br />
que cuanto mayor es la masa <strong>del</strong><br />
cuerpo, menor es la aceleración que la fuerza neta le produce.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 61<br />
Analicen en forma grupal, guiados por su profesor, situaciones en donde se pongan<br />
de manifiesto estas relaciones: la relación entre la fuerza neta y la aceleración<br />
de un cuerpo y la relación entre la masa y la aceleración para comprender lo que<br />
expresa la segunda ley de Newton.<br />
<strong>La</strong> expresión anterior de la segunda ley es más conocida cuando se expresa en<br />
forma de igualdad y se escribe en función a F Neta<br />
mde la fuerza como sigue:<br />
a = F Neta<br />
m<br />
a F F Neta<br />
Neta<br />
= m #<br />
m<br />
a<br />
F[=]kg # m/s 2<br />
De esta manera, podemos realizar un a análisis = F Neta<br />
dimensional para deducir las unidades<br />
m<br />
de medición de la fuerza. Lo que haremos es sustituir en esta última expresión las<br />
unidades de la masa y de la aceleración F Neta<br />
<strong>del</strong> = m Sistema # a Internacional.<br />
F[=]kg # m/s 2<br />
Así hemos encontrado las unidades de la fuerza en este sistema, las cuales son unidades<br />
de masa multiplicadas por unidades de aceleración. A este conjunto de unidades<br />
se le conoce como 1 newton (N), el cual se define de la siguiente forma:<br />
1 newton se define como la fuerza que, aplicada a un cuerpo de 1 kilogramo<br />
de masa, le produce una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado.<br />
1N = 1kg # m/s 2<br />
Esta expresión de la segunda ley <strong>del</strong> F Neta<br />
movimiento = m # a la podemos aplicar en el cálculo<br />
de fuerzas bajo ciertas consideraciones, tomando en cuenta, principalmente, que se<br />
w = m #<br />
trata de una fuerza neta que es el resultado<br />
g<br />
de la acción de varias fuerzas que actúan<br />
sobre un cuerpo.<br />
Retomaremos ahora el concepto <strong>del</strong> peso de un cuerpo, que como dijimos, es<br />
una fuerza de atracción gravitatoria y como tal es posible obtenerlo utilizando la<br />
expresión de la segunda ley de Newton.<br />
Si,<br />
1N = 1kg # m/s 2<br />
F Neta<br />
= m # a<br />
(7)<br />
1N = 1kg # m/s 2<br />
w = m #<br />
Entonces, el peso de un cuerpo (w) lo Fobtenemos g<br />
Neta<br />
= m # a como:<br />
w = m # g<br />
(8)<br />
Donde:<br />
w = representa el peso <strong>del</strong> cuerpo (w = weigth)<br />
m = es la masa <strong>del</strong> cuerpo<br />
g = es la aceleración de la gravedad, es decir, la aceleración que todo cuerpo experimenta<br />
debido a la fuerza gravitacional que la Tierra ejerce sobre él y cuyo valor<br />
promedio es 9.8 m/s 2 .<br />
Esto es, el peso de los cuerpos resulta <strong>del</strong> producto de la masa <strong>del</strong> mismo, multiplicada<br />
por la aceleración, en este caso, de la gravedad terrestre.
62 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
a<br />
a<br />
F<br />
a<br />
a<br />
F<br />
a<br />
a<br />
F<br />
■ Figura 2.7 Representación de la segunda ley de Newton.<br />
EJEMPLO 2.10<br />
Calcula la aceleración que experimenta un objeto de 50 kg cuando se le aplica una fuerza de 75 N.<br />
Datos que tenemos:<br />
m = 50 kg<br />
F = 75 N<br />
¿Qué estamos buscando? <strong>La</strong> aceleración.<br />
a = ?<br />
¿Qué vamos a hacer primero?<br />
Dado que tenemos la fórmula de fuerza:<br />
despejamos la aceleración:<br />
F = ma (7)<br />
a = F Neta<br />
m<br />
75 N<br />
= = 1.5 m/s2<br />
50 kg<br />
Resultado <strong>del</strong> problema<br />
a = 1.5 m/s 2
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 63<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
En este ejemplo, la única fuerza que estamos considerando para obtener la aceleración es 75 N. No se incluye<br />
ninguna otra fuerza actuando sobre ese cuerpo, como la fuerza de fricción, el peso <strong>del</strong> cuerpo mismo,<br />
etcétera. En cursos posteriores sí tomaremos en cuenta todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.<br />
EJEMPLO 2.11<br />
Calcula el peso que una escultura de 2 toneladas ejerce sobre la superficie<br />
que la sostiene.<br />
Datos que tenemos:<br />
m = 2 toneladas<br />
g = 9.8 m/s 2<br />
¿Qué estamos buscando? El peso de la escultura.<br />
w = ?<br />
¿Qué debemos hacer primero?<br />
Dado que la masa está expresa en toneladas, hay que transformarla a kg,<br />
según el Sistema Internacional.<br />
1000 kg<br />
m = (2 ton)<br />
1 ton<br />
= 2000 kg<br />
¿Cuál es el siguiente paso?<br />
Calculemos el peso w usando la fórmula:<br />
w = mg (8)<br />
El peso de la escultura es:<br />
w = (2000 kg) (9.8 m/s 2 ) = 19 600 N<br />
w = 19 600 kg<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
El peso de un cuerpo es una fuerza. Es la fuerza con la que la Tierra, en este caso, atrae a la escultura y que<br />
esta ejerce sobre la superficie que la sostiene. Recuerda no confundir el peso con la masa. <strong>La</strong> masa de la<br />
escultura es de 2000 kg.<br />
En la siguiente actividad encuentra lo que se te solicita. No olvides incluir todo el procedimiento <strong>del</strong> problema,<br />
así como la interpretación <strong>del</strong> resultado.
64 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Problema Procedimiento Análisis<br />
1. Calcula el peso que una roca de 5 toneladas<br />
ejerce sobre el suelo en el que reposa.<br />
2. Un autobús de media tonelada acelera con 0.8 m/s 2 .<br />
Calcula la fuerza aplicada.<br />
2.3.3 Tercera ley <strong>del</strong> movimiento<br />
Toca el turno a la explicación de la tercera ley <strong>del</strong> movimiento, más conocida como<br />
ley de acción y reacción. Esta ley establece que las fuerzas siempre aparecen en pares.<br />
No existe ninguna forma de que una fuerza actúe por sí misma sin generar otra<br />
fuerza opuesta e igual de parte <strong>del</strong> otro cuerpo, es decir, la tercera ley de Newton<br />
se refiere a la interacción entre objetos separados. Cuando empujamos un escritorio<br />
para desplazarlo sobre el piso, ejercemos una fuerza sobre él, pero el escritorio, a su<br />
vez, también ejerce una fuerza sobre nosotros, de la misma magnitud, pero en dirección<br />
contraria. Nosotros podemos sentir esa fuerza, de lo contrario no tendríamos<br />
ninguna dificultad para mover el objeto. Cuando golpeamos una bola de tenis con<br />
una raqueta, de inmediato percibimos el impacto de la bola contra la raqueta, lo que<br />
nos indica que la bola también está ejerciendo una fuerza. Así podemos citar diferentes<br />
ejemplos, pero lo que Newton concluyó al postular esta ley fue:<br />
A toda fuerza de acción le corresponde otra fuerza igual<br />
y opuesta llamada reacción.<br />
Volviendo a los ejemplos anteriores, si la fuerza que aplicamos sobre el escritorio<br />
para moverlo sobre el piso es de 100 N, entonces el escritorio, a su vez, ejerce una<br />
fuerza sobre nosotros de 100 N en dirección contraria. Igualmente, si la fuerza ejercida<br />
por la raqueta sobre la bola de tenis es de 80 N, ésta ejerce una fuerza de 80 N<br />
en dirección contraria a la de la raqueta. <strong>La</strong>s fuerzas siempre se presentan en pares de<br />
acción y reacción, pero no debemos perder de vista que estas fuerzas son ejercidas y<br />
recibidas por los cuerpos que interactúan y no se nulifican entre sí.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 65<br />
En relación con esto último, es preciso diferenciar las fuerzas de acción y reacción<br />
de las fuerzas que producen el equilibrio. Cuando decimos que un cuerpo se<br />
encuentra en equilibrio, nos estamos refiriendo a que sobre ese cuerpo están actuando<br />
dos o más fuerzas que se contrarrestan unas con otras, pero todas actúan sobre el<br />
cuerpo. En el caso de las fuerzas de acción y reacción, como ya lo dijimos, actúan en<br />
uno y otro cuerpo, de tal forma que aunque sean de la misma magnitud y opuestas<br />
entre sí, no significa que se contrarresten ni que produzcan algún tipo de equilibrio<br />
porque actúan sobre cuerpos separados.<br />
Veamos el siguiente caso de una persona que sostiene un maletín.<br />
Viéndolo desde el punto de vista <strong>del</strong> equilibrio, observamos que sobre el maletín<br />
actúan dos fuerzas: la de gravedad de la Tierra y la de la mano de la persona que lo<br />
sostiene. Ambas actúan sobre el maletín y, como se encuentra en reposo, entonces<br />
existe equilibrio y ambas fuerzas son de la misma magnitud, pero de direcciones<br />
opuestas, por lo que se anulan una con la otra.<br />
Fuerzas de contacto<br />
+F 1<br />
sobre el maletín<br />
–F 1<br />
sobre la<br />
mano<br />
–F 2<br />
sobre el<br />
maletín<br />
Fuerzas de acción a distancia<br />
■ Figura 2.23<br />
Figura 1.23<br />
+ F 2<br />
sobre la<br />
Tierra<br />
Pero si lo vemos desde el punto de vista de la tercera ley de Newton, observamos<br />
que el maletín ejerce una fuerza hacia abajo sobre la mano de la persona, pero a su<br />
vez, la mano de la persona ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el maletín para<br />
evitar que caiga al piso. En este caso vemos las fuerzas que actúan en uno y otro<br />
cuerpo, la fuerza <strong>del</strong> maletín sobre la mano y la fuerza de la mano sobre el maletín,<br />
constituyendo el par de acción y reacción al que se refiere esta tercera ley <strong>del</strong><br />
movimiento.<br />
Ejemplos de la tercera ley de Newton:
66 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Situación<br />
Explicación<br />
Un cohete logra ponerse en funcionamiento gracias a la tercera ley de Newton, ya que se<br />
desplaza gracias al efecto de la pólvora quemada que sale en sentido opuesto.<br />
Caminar es una forma de poner en práctica la tercera ley de Newton. Mientras que con<br />
nuestros pies ejercemos fuerza hacia a<strong>del</strong>ante con cada paso, empujamos el piso hacia atrás.<br />
Remar en un bote también significa poner en práctica la tercera ley de Newton y esto sucede<br />
porque, mientras que nosotros aplicamos una fuerza para desplazar el agua hacia atrás con<br />
el remo, esta, a su vez, ejerce una fuerza de reacción empujando a la embarcación en sentido<br />
opuesto.<br />
Cuando brincamos empujamos a la tierra hacia abajo y esta nos empuja con la misma fuerza<br />
hacia arriba.<br />
Al golpear un clavo con un martillo, el clavo ejerce una fuerza contraria sobre el martillo hacia<br />
atrás.<br />
Cuando se cuelga un objeto de una cuerda, el objeto ejerce una fuerza hacia abajo, pero la<br />
cuerda ejerce una fuerza hacia arriba de igual magnitud, que hace que el objeto no se caiga.<br />
Cuando se dispara una bala, la explosión de la pólvora ejerce una fuerza de acción sobre la<br />
pistola, la cual reacciona ejerciendo una fuerza de igual magnitud, pero en dirección opuesta<br />
sobre la bala.<br />
Cuando un beisbolista golpea la bola con el bate, ejerce una fuerza de acción sobre ella, y la<br />
bola, a su vez, ejerce una fuerza de reacción sobre el bate en dirección opuesta.
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 67<br />
<strong>La</strong> turbina de un avión ejerce una fuerza hacia atrás con el aire que suelta, lo cual ocasiona una<br />
reacción en sentido contrario y con la misma intensidad que hace que el avión avance hacia<br />
a<strong>del</strong>ante.<br />
<strong>La</strong> persona empuja la cama elástica hacia abajo y, en reacción, la cama empuja a la persona<br />
hacia arriba.<br />
Hasta aquí hemos revisado toda una serie de conceptos y leyes que explican el movimiento<br />
de los cuerpos. Bajo esta visión esperamos haberte provisto de la infraestructura<br />
conceptual y teórica necesaria para su aplicación posterior, ya sea en situaciones<br />
prácticas, o bien, en escenarios cotidianos o de aprendizaje en el aula o en el laboratorio.<br />
Estos conceptos y leyes están presentes en las otras ramas de la Física clásica,<br />
por lo tanto, es de suma importancia que los hayas comprendido, pues los seguirás<br />
utilizando, no solamente en este, sino en cursos de Física posteriores, y también en<br />
tu vida cotidiana, ya que nos dan la pauta para saber cómo actuar o responder ante<br />
determinadas situaciones relacionadas con el movimiento de los cuerpos en general.
68 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
PREGUNTAS Y EJERCICIOS DE REPASO DE LA ETAPA 2<br />
Preguntas conceptuales<br />
1. Describe la diferencia entre rapidez y velocidad.<br />
2. Describe el concepto de fuerza.<br />
3. Durante 5 segundos el velocímetro de un automóvil marca 60 km/h. ¿Esto representa una rapidez<br />
constante o una velocidad constante? Justifica tu respuesta.<br />
4. <strong>La</strong> Luna se mueve alrededor de la Tierra a una velocidad constante de 1 km/s. ¿<strong>La</strong> Luna tiene aceleración<br />
en su movimiento? Defiende tu respuesta.<br />
5. ¿Por qué estudiamos el movimiento de los cuerpos en condiciones ideales? ¿Qué significa este concepto?<br />
¿De qué manera afectan las condiciones reales al movimiento de un objeto?<br />
6. Una pelota de futbol se mueve libremente por el campo de pasto y, finalmente, se detiene. ¿Cómo<br />
interpretaría Aristóteles este hecho? ¿Cómo lo interpretaría Galileo?
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 69<br />
7. Describe lo que entiendes por inercia.<br />
8. ¿Crees que es importante conocer, pero sobre todo entender, las tres leyes de Newton sobre el movimiento?<br />
¿Por qué?<br />
9. El cometa Halley regresa a nuestro cielo cada 75 años. ¿Qué lo mantiene en órbita?<br />
10. ¿De qué manera afecta la masa de un cuerpo a su inercia? Justifica tu respuesta.<br />
11. ¿De qué manera afecta la fuerza de gravedad al peso de un cuerpo? Justifica tu respuesta.<br />
12. Describe con claridad la diferencia entre volumen, masa y peso.<br />
13. Un automóvil va a exceso de velocidad y se sale <strong>del</strong> camino al llegar a una curva cerrada. ¿Cuál de las<br />
tres Leyes de Newton justifica este fenómeno?
70 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
14. Un soldado sabe que cuando se dispara un rifle de alto poder, el tirador debe sostener fuertemente la<br />
culata, porque si no puede caer al suelo. ¿Cuál ley <strong>del</strong> movimiento justifica el fenómeno?<br />
15. Describe la tercera ley de Newton y ejemplifícala con una situación de la vida real.<br />
16. Imagínate en el espacio exterior, donde la fuerza de gravedad es nula (situación ideal). ¿Cómo crees<br />
que aplicaría la tercera ley de Newton si trataras de empujar un objeto de gran peso? Justifica tu respuesta.<br />
Preguntas de opcion múltiple<br />
1. Es la parte de la Física que estudia el movimiento y las causas que lo producen:<br />
a) Estática<br />
b) Dinámica<br />
c) Cinemática<br />
d) Cinética<br />
2. Un cuerpo que se desplaza con velocidad constante debe experimentar cambios en:<br />
a) Su posición<br />
b) <strong>La</strong> masa<br />
c) Su volumen<br />
d) No presenta cambio alguno<br />
3. Cuando un cuerpo está acelerado…<br />
a) su dirección nunca cambia.<br />
b) su rapidez siempre se incrementa.<br />
c) una fuerza neta debe estar actuando sobre él.<br />
d) su rapidez se mantiene constante.<br />
4. Un cuerpo que se desplaza con aceleración constante debe experimentar cambios en:<br />
a) El peso<br />
b) <strong>La</strong> masa<br />
c) <strong>La</strong> aceleración<br />
d) <strong>La</strong> velocidad
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 71<br />
5. Un objeto se mueve con una rapidez constante de 6 m/s. Esto significa que el objeto:<br />
a) Aumenta su rapidez en 6 m/s cada segundo.<br />
b) Disminuye su rapidez en 6 m/s cada segundo.<br />
c) No se mueve.<br />
d) Se mueve 6 m cada segundo.<br />
6. Un móvil se acelera a razón de 4 m/s2, esto significa que el móvil:<br />
a) Recorre 4 m cada segundo.<br />
b) Tarda 4 segundos en recorrer 1 m.<br />
c) Su velocidad cambia 4 m/s cada segundo.<br />
d) Recorre 4 m cada segundo.<br />
7. En la Luna el valor de g es aproximadamente 1/6 <strong>del</strong> valor de la g terrestre; si en la Tierra un objeto<br />
tiene una masa de 5 kg, en la Luna tendría:<br />
a) Una masa de 5 kg y un peso de 5 N.<br />
b) Una masa de 5 kg y un peso de 8 N.<br />
c) Una masa de 0.51 kg y un peso de 5 N.<br />
d) Una masa de 0.51 kg y un peso de 0.82 N.<br />
8. Imagina que estás parado sobre una caja de cartón que apenas te sostiene. ¿Qué le sucedería a la caja<br />
si saltaras verticalmente hacia arriba?<br />
a) Se movería hacia un lado.<br />
b) Se aplastaría.<br />
c) No se afectaría.<br />
d) También saltaría.<br />
9. <strong>La</strong> masa de un cuerpo depende de:<br />
a) Su posición con respecto a la superficie de la Tierra.<br />
b) <strong>La</strong> aceleración de la gravedad.<br />
c) Su cantidad de materia.<br />
d) Su forma.<br />
10. <strong>La</strong> primera ley de Newton también es conocida como:<br />
a) Principio de la conservación de la energía.<br />
b) Principio de la gravitación universal.<br />
c) Principio de la conservación de la masa.<br />
d) Principio de inercia.<br />
11. Si conocemos el valor y dirección de la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo, la segunda ley de Newton<br />
es suficiente para calcular su:<br />
a) Aceleración<br />
b) Posición<br />
c) Velocidad<br />
d) Masa
72 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
12. Imagina a una persona levantando un bulto se cemento de 25 kg, para posteriormente levantar un bulto<br />
de hule espuma de 25 kg también. Con respecto a la fuerza necesaria para levantar ambos bultos:<br />
a) Necesitará más fuerza para levantar el bulto de cemento, ya que tiene menos volumen.<br />
b) Necesitará más fuerza para levantar el bulto de hule espuma, ya que tiene más volumen.<br />
c) Se necesitará la misma fuerza para levantarlos a ambos.<br />
d) Es difícil saber la respuesta, pues se necesitan más datos para responder.<br />
13. Un automóvil frena bruscamente. En virtud <strong>del</strong> principio de inercia, ¿qué les pasa a los ocupantes aun<br />
cuando lleven el cinturón de seguridad?<br />
a) Se quedan inmóviles, ya que llevan el cinturón de seguridad.<br />
b) Se desplazan hacia a<strong>del</strong>ante, pero los detiene el cinturón de seguridad.<br />
c) Se desplazan hacia atrás, ya que el cinturón de seguridad los empuja hacia atrás.<br />
d) <strong>La</strong> respuesta dependería <strong>del</strong> tipo de automóvil.<br />
14. <strong>La</strong>s fuerzas de acción y reacción no se anulan porque:<br />
a) Tienen distintas magnitudes.<br />
b) No se aplican sobre el mismo cuerpo.<br />
c) Actúan en la misma dirección.<br />
d) Actúan en direcciones opuestas.<br />
15. Con respecto a las fuerzas aplicadas a un cuerpo, este se moverá a velocidad constante cuando…<br />
a) <strong>La</strong> suma de todas las fuerzas aplicadas sea igual a cero.<br />
b) <strong>La</strong> suma de todas las fuerzas aplicadas sea diferente de cero.<br />
c) <strong>La</strong> aceleración sea diferente de cero.<br />
d) Solo se aplique una fuerza sobre el cuerpo.<br />
16. Cuando una fuerza neta de 1 N actúa sobre un cuerpo de 1 kg, el cuerpo adquiere:<br />
a) Una velocidad de 1 m/s<br />
b) Una aceleración de 1 m/s 2<br />
c) Una aceleración de 9.8 m/s 2<br />
d) Una velocidad de 9.8 m/s<br />
Problemas<br />
1. En una competencia olímpica se recorren 500 m planos.<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida por cada competidor?<br />
b) ¿Cuál es el desplazamiento de cada uno de ellos?<br />
2. Para llegar a su casa, una persona tiene que recorrer 120 m al norte y después 45 m al sur.<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida?<br />
b) ¿Cuál fue su desplazamiento?<br />
3. Una persona le da la vuelta completa a una glorieta que tiene un diámetro de 350 m.<br />
a) ¿Cuál es la distancia recorrida?<br />
b) ¿Cuál fue su desplazamiento?
Etapa 2 Cinemática y las leyes <strong>del</strong> movimiento de los cuerpos 73<br />
4. Un estudiante sale de su casa y tiene que recorrer 250 m al oeste y después 300 m al sur para llegar a<br />
su escuela que se encuentra al suroeste, tal como se muestra en la figura. Si el recorrido lo hace en 15<br />
minutos:<br />
a) ¿Cuál es su rapidez?<br />
b) ¿Cuál es su velocidad?<br />
5. Una persona parte <strong>del</strong> reposo y empieza a correr, 20 segundos después su velocidad es de 15 km/h.<br />
¿Qué aceleración lleva?<br />
6. Un automóvil se mueve a 95 km/h y frena hasta detenerse completamente en 8 segundos. ¿Cuál fue su<br />
aceleración?<br />
7. Un automovilista cambia su aceleración de 10 km/h a 85 km/h en 15 segundos. ¿Cuál fue su aceleración?<br />
8. Un automovilista cambia su aceleración de 100 km/h a 25 km/h en 20 segundos. ¿Cuál fue su aceleración?<br />
9. Calcula el peso que una estatua de 5 toneladas de peso ejerce sobre la columna que la sostiene.<br />
10. Calcula la aceleración que experimenta un objeto de 250 kg cuando se le aplica una fuerza de 125 N.<br />
11. Un tren de cinco toneladas de masa acelera con 1.3 m/s 2 . Calcula la fuerza aplicada.
ETAPA<br />
3<br />
GRAVITACIÓN, TRABAJO,<br />
POTENCIA Y ENERGÍA
CONTENIDO<br />
3.1 Gravitación<br />
3.2 Trabajo y potencia<br />
3.3 Energía<br />
Introducción<br />
En esta etapa abordaremos otros aspectos relacionados con<br />
el movimiento de los cuerpos, como la ley de la gravitación<br />
universal, y los conceptos de trabajo, potencia y energía,<br />
a partir de los cuales podrás responder, con fundamento,<br />
cuestiones concernientes al movimiento en nuestro planeta,<br />
como la formación de las mareas o comprender mejor<br />
el concepto <strong>del</strong> peso de los cuerpos y por qué puede cambiar<br />
en función de la posición en que se encuentren en el<br />
Universo. También podrás comprender que, aunque no lo<br />
creas, realizas “trabajo”, no en el sentido de una actividad<br />
económica, sino en el sentido de la Física, cuando te mueves<br />
o cuando desplazas un objeto desde una posición hasta<br />
otra. Otro aspecto relacionado con situaciones cotidianas es<br />
el de la energía. Por ejemplo, algunos casos se encuentran<br />
al ver en los periódicos o en las redes sociales noticias sobre
76 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
las tarifas de la energía eléctrica o la búsqueda de energías alternativas, como<br />
las baterías para los automóviles eléctricos, o bien, la utilización de combustibles<br />
obtenidos a partir de desechos orgánicos o saber cuánta energía contienen los<br />
alimentos que consumes diariamente.<br />
Recuerda que, al cursar <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong>, aspiramos a que desarrolles<br />
una infraestructura conceptual que te permita responder esas y otras preguntas,<br />
con la finalidad de que desarrolles las competencias necesarias para las<br />
unidades de aprendizaje subsiguientes, así como para tu ingreso al nivel superior.<br />
■ <strong>La</strong>s mareas son provocadas por la atracción gravitatoria que ejercen la Luna y el Sol.<br />
3.1 Gravitación<br />
Uno de los contenidos que estudiaremos en esta etapa es el tema de la gravitación en<br />
la versión clásica, es decir, desde el punto de vista de la teoría newtoniana.<br />
Para llegar a ella hubo una serie de antecedentes y concepciones previas acerca<br />
<strong>del</strong> movimiento de la Luna, los planetas y el Sol, la mayoría de las cuales estaban<br />
bajo la fuerte influencia de las ideas de Aristóteles, que consideraba a la Tierra como<br />
el centro <strong>del</strong> Universo, mientras los demás cuerpos celestes giraban en torno a ella.<br />
Antes de Newton, se decía que el movimiento de los astros obedecía a leyes diferentes<br />
de las que explican el movimiento de los cuerpos en nuestro planeta. Se decía,<br />
por ejemplo, que el movimiento de caída de una roca era gobernado por ciertas leyes,<br />
diferentes de las que rigen el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra.<br />
Fue Ptolomeo, en el siglo ii de nuestra era, quien desarrolló un sistema basado en<br />
la concepción aristotélica para explicar el movimiento planetario (en aquel tiempo,<br />
solamente se conocían Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno, llamados planetas<br />
por su condición de cuerpos errantes). En este sistema la Tierra permanecía<br />
estacionaria en el centro, mientras que los demás planetas, incluidos la Luna y el<br />
Sol, giraban a su alrededor en órbitas circulares. A esta concepción se le ha conocido<br />
tradicionalmente como la teoría geocéntrica <strong>del</strong> Universo.<br />
Sin embargo, Ptolomeo, para dar cierta congruencia a esta idea, suponía que la<br />
Luna, por estar más cerca de la Tierra, tenía una órbita simple, lo mismo que el Sol,
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 77<br />
pero este en una posición más alejada de la Tierra, mientras que los demás planetas<br />
se movían en órbitas circulares y a la vez epicíclicas, es decir, describiendo círculos<br />
pequeños alrededor de otro círculo mayor cuyo centro era la Tierra. Es notable que,<br />
aun en la actualidad, utilicemos expresiones que corresponden a esta teoría geocéntrica,<br />
como “la salida y la puesta <strong>del</strong> sol”.<br />
Más a<strong>del</strong>ante, en el siglo xvi surge Nicolás Copérnico, quien propuso un sistema<br />
diferente: la teoría heliocéntrica <strong>del</strong> Universo, en la cual consideraba al Sol como el<br />
centro <strong>del</strong> sistema planetario y los planetas girando en órbitas circulares en torno a él,<br />
sin dejar de lado la idea <strong>del</strong> movimiento epicíclico de los otros planetas. Con este sistema,<br />
aunque no <strong>del</strong> todo satisfactorio, Copérnico proporcionó el marco de referencia<br />
adecuado para que pudiera desarrollarse la concepción moderna <strong>del</strong> Sistema Solar.<br />
Entre la controversia por ver cuál de los dos sistemas era el correcto, surgieron<br />
muchos astrónomos que realizaron observaciones más precisas. Entre ellos destacó<br />
el danés Tyge Ottesen Brahe, mejor conocido como Tycho Brahe. Él fue el último<br />
astrónomo que realizó observaciones sin telescopio (ya que aún no existía), sin embargo,<br />
fueron tan precisas que más a<strong>del</strong>ante, en el siglo xvii, otro personaje importante<br />
de origen alemán, llamado Johannes Kepler, utilizó los registros de sus observaciones<br />
para analizarlos y desarrollar las tres leyes que describen el movimiento de<br />
los planetas, llamadas leyes de Kepler.<br />
■ Johannes Kepler<br />
Primera ley de Kepler. Los planetas se mueven en órbitas con forma elíptica alrededor<br />
<strong>del</strong> Sol, y este no se encuentra en el centro de la órbita, sino ligeramente a un<br />
lado, en lo que se conoce como el foco de la elipse.<br />
Segunda ley de Kepler. <strong>La</strong> línea recta imaginaria que une a un planeta con el Sol<br />
cubre áreas iguales en intervalos de tiempo iguales.<br />
Tercera ley de Kepler. Los cuadrados de los periodos orbitales de los planetas son<br />
proporcionales a los cubos de sus distancias promedio al Sol.<br />
Estas leyes describen adecuadamente la cinemática de los planetas, sin embargo, son<br />
leyes empíricas que no tienen ninguna base teórica que explique tales movimientos.<br />
Kepler, como dijimos, estudió y analizó los datos proporcionados por Brahe, y pudo<br />
llegar a dichas conclusiones. Entonces surgió Isaac Newton, en el mismo siglo, quien<br />
retomó las aportaciones de Copérnico, Galileo y Kepler para conjuntar todo en una<br />
teoría completa, lo que dio origen a la famosa ley de la gravitación universal, con<br />
la cual demostró que todos los cuerpos en el Universo se mueven bajo las mismas<br />
leyes, sin importar que sea aquí en la Tierra o en cualquier otra parte <strong>del</strong> Universo.<br />
3.1.1 Ley de la gravitación universal<br />
En 1665, cuando Newton tenía 23 años, tuvo que trasladarse a Lincolnshire, ya que<br />
una epidemia de peste obligó a las autoridades a clausurar temporalmente la Universidad<br />
de Cambridge. En aquel tiempo Newton relacionó el movimiento de la caída<br />
de las manzanas con el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra, pensando que<br />
podría deberse al mismo tipo de fuerzas, ya que, si sobre la Luna no actuara ninguna<br />
fuerza, esta se movería en línea recta alejándose de nuestro planeta, como lo establece<br />
la primera ley <strong>del</strong> movimiento o ley de la inercia.<br />
Newton sabía que para un cuerpo moviéndose en torno a un punto central,<br />
como la Luna alrededor de la Tierra, existe una fuerza centrípeta que lo hace girar,
78 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
dirigida hacia ese punto. También conocía algunos datos como el radio de la Tierra<br />
(6 400 km), la distancia entre la Tierra y la Luna (alrededor de 384 000 km) y el tiempo<br />
que tarda la Luna en completar una órbita (27.32 días). Con estos datos pudo calcular la<br />
aceleración de la Luna hacia la Tierra, es decir, su aceleración centrípeta, como sigue:<br />
Cálculo de la aceleración centrípeta que ejerce la Tierra sobre la Luna:<br />
v = 88 406.63 km/día = 1 023.22 m/s (es la velocidad tangencial de la Luna)<br />
r = 384 402 km = 384,402,000 m = 3.844 * 10 8 m (es la distancia promedio desde el<br />
centro de la Tierra a la Luna)<br />
v 2<br />
a c<br />
=<br />
r<br />
(1 203.22 m/s)2<br />
a c<br />
=<br />
3.844 * 10 8 m<br />
a c<br />
= 0.0027 m/s 2<br />
De donde se obtiene un valor de 0.0027 m/s 2 , y al compararlo con el valor de la aceleración<br />
de la gravedad, g = 9.8 m/s 2 , que es la aceleración de caída libre cerca de la<br />
superficie terrestre, encontró que es 3 600 veces menor. Esto significa, pensó Newton,<br />
que la gravedad, al igual que la fuerza gravitacional, disminuye con respecto a<br />
la distancia de separación de un cuerpo sobre la Tierra.<br />
Relación entre la aceleración centrípeta de la Luna y la aceleración de la gravedad<br />
terrestre:<br />
a c<br />
= 0.0027<br />
=<br />
g r<br />
9.8<br />
1<br />
3600<br />
r<br />
g = 9.8 m/s 2<br />
a L<br />
= 0.0027 m/s 2<br />
Tierra<br />
Luna<br />
Por otro lado, Newton asumió la hipótesis de que un cuerpo que cae hacia la Tierra<br />
se encuentra a una distancia de un radio de su centro. Entonces la Luna, que se encuentra<br />
a una distancia de 384 402 km <strong>del</strong> centro de la Tierra, ¿a qué relación de distancia<br />
se encuentra con respecto al cuerpo que cae? Bajo un razonamiento sencillo<br />
dedujo que la relación de distancias es de:
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 79<br />
6400<br />
384 402 = 1 60<br />
2 2<br />
6400 1<br />
384 402 = 60<br />
=<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
1<br />
3600<br />
Como se puede ver, es la misma relación que existe entre la aceleración de la gravedad<br />
terrestre cerca de la superficie y la aceleración centrípeta de la Luna en su movimiento<br />
orbital, con lo cual Newton concluyó que las fuerzas que actúan, tanto en<br />
un cuerpo que cae a la Tierra como en la Luna al girar a su alrededor, son <strong>del</strong> mismo<br />
tipo y que dicha fuerza varía en una proporción inversa al cuadrado de la distancia<br />
entre los cuerpos, puesto que la distancia entre la Tierra y la Luna es de 60 veces el<br />
radio de la Tierra, que elevado al cuadrado es igual a 3 600.<br />
g 1<br />
= g<br />
g 2<br />
= g/4 g 3<br />
= g/9 g L<br />
= g/3 600<br />
r 2r 3r<br />
60r<br />
Ahora bien, de acuerdo con la tercera ley de Newton <strong>del</strong> movimiento, las fuerzas siempre<br />
aparecen en pares, por lo tanto, si la Tierra ejerce una fuerza sobre la Luna, esta<br />
ejercerá una fuerza igual y opuesta sobre la Tierra. Y puesto que ambas interaccionan<br />
entre sí, entonces la fuerza gravitacional entre ellas depende de las dos masas y no nada<br />
más de una, de tal forma que si la masa de la Luna se duplica, la fuerza gravitacional<br />
también se duplica. Por otra parte, si la masa de la Tierra se duplica, la fuerza gravitacional<br />
igualmente se duplica. Si ambas masas, Luna y Tierra, se duplican, la fuerza gravitacional<br />
se incrementaría en un factor de cuatro. De este razonamiento Newton dedujo<br />
que la fuerza gravitacional era directamente proporcional al producto de sus masas.<br />
A partir de estas conclusiones, Newton asumió que la fuerza gravitacional se presenta<br />
entre dos cuerpos cualquiera, ya que solo depende de sus masas y de la distancia<br />
entre ellas, con lo que enunció la ley de la gravitación universal en los siguientes términos:<br />
Dos cuerpos cualesquiera se atraen uno al otro, con una fuerza que es<br />
directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente<br />
proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.<br />
m 1<br />
m<br />
F = G<br />
2<br />
(1)<br />
r 2<br />
En donde m 1<br />
y m 2<br />
son las masas que se atraen entre sí, r es la distancia que separa los<br />
centros de ellas y G es una constante de proporcionalidad entre ambos miembros de la<br />
igualdad, de la cual hablaremos más a<strong>del</strong>ante: Esta fuerza de atracción gravitacional<br />
solo es perceptible cuando al menos uno de los cuerpos posee una masa muy grande,
80 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
como por ejemplo la Luna, el Sol o la Tierra. Cuando uno de los cuerpos que interaccionan<br />
es muy grande, generalmente tiene forma esférica. ¿Por qué sucede así? Se debe<br />
a que la fuerza de gravedad es una fuerza central, es decir, que siempre se encuentra<br />
dirigida hacia un centro, y la manera más óptima de concentrar materia alrededor de<br />
un punto es una esfera. En este caso, Newton descubrió que, para efectos de cálculo,<br />
la masa de los cuerpos que se atraen se puede considerar como si estuviera concentrada<br />
en su centro. También concluyó que la fuerza de atracción gravitacional se presenta<br />
entre todos los objetos <strong>del</strong> Universo, ya que al tener cada uno una masa determinada,<br />
deberían cumplir con estas mismas consideraciones.<br />
3.1.2 <strong>La</strong> constante gravitacional (G)<br />
El valor de la constante que hace la igualdad en la expresión de Newton, la cual recibe<br />
el nombre de constante de gravitación universal, simbolizada con una G, fue<br />
calculada aproximadamente cien años después por Henry Cavendish (1731-1810),<br />
quien calculó la fuerza de atracción entre dos masas, confirmando experimentalmente<br />
la ley de Newton de la gravitación universal para masas pequeñas sobre la superficie<br />
de la Tierra. Encontró que la fuerza era exactamente como lo predice dicha ley.<br />
Cavendish midió las masas de los objetos, la distancia entre ellos y la fuerza<br />
de atracción, calculando la constante de proporcionalidad en la siguiente expresión<br />
algebraica de la fuerza gravitacional.<br />
Nm 2<br />
G = 6.67 * 10 -11<br />
kg 2<br />
Esta constante es universal y se calcula en forma experimental. Es frecuente decir<br />
que la ley de la gravitación universal corresponde a la gran síntesis de la Mecánica<br />
newtoniana, ya que antes de esta se creía que existían dos conjuntos de leyes, uno para<br />
el movimiento de los cuerpos celestes y otro para el movimiento terrestre. Esta ley,<br />
junto con las tres leyes de Newton <strong>del</strong> movimiento, generó en los grandes pensadores<br />
de aquella época la idea de que la naturaleza se rige por leyes simples y armónicas.<br />
A continuación vamos a aplicar esta expresión de la ley de la gravitación universal<br />
para obtener la fuerza entre dos cuerpos y observar su magnitud.<br />
EJEMPLO 3.1<br />
<strong>La</strong> fuerza de atracción gravitacional de dos personas.<br />
Gabriel pesa 75 kg y se encuentra a 0.5 m de Susana, quien pesa 54 kg. ¿Cuál es la atracción (gravitacional)<br />
que existe entre ellos?<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos hacer? Calcular la fuerza de atracción gravitacional entre Gabriel y Susana.<br />
b) ¿Cómo lo vamos a resolver? Aplicando la expresión algebraica de la ley de la gravitación universal.<br />
c) Datos con los que contamos:<br />
m 1<br />
= 75 kg (masa de Gabriel)<br />
m 2<br />
= 54 kg (masa de Susana)<br />
r = 0.5 m (distancia entre ellos)<br />
G = 6.67 * 10 -11 N·m 2 /kg 2
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 81<br />
Para calcular la fuerza de atracción gravitacional se emplea la fórmula:<br />
F = G<br />
m 1<br />
m 2<br />
r 2<br />
m 1<br />
m<br />
F = G<br />
2<br />
Sustituimos los datos en la fórmula: r 2<br />
Nm 2 (75 kg)(54 kg)<br />
F = 6.67 * 10 -11<br />
kg 2 (0.5m) 2<br />
Nm 2 (75 kg)(54 kg)<br />
F = 6.67 * 10 F -11<br />
=<br />
kg<br />
1.08 2 * 10<br />
(0.5m) -6 N 2<br />
¯˚˙<br />
F = 1.08 * 10 -6 N<br />
¯˚˙<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado: Como puede observarse, la fuerza de atracción obtenida es muy pequeña, tanto<br />
que, ni Gabriel ni Susana, la percibirían.<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
EJEMPLO 3.2<br />
<strong>La</strong> fuerza de atracción entre la Tierra y la Luna.<br />
<strong>La</strong> Luna, cuya masa es de 7.36 * 10 22 kg, se encuentra a una distancia de 384 402 km <strong>del</strong> centro de la<br />
Tierra, la cual tiene una masa de 5.98 * 10 24 kg. ¿Cuál es la fuerza de atracción gravitacional que existe entre<br />
nuestro planeta y su satélite natural?<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos hacer? Calcular la fuerza de atracción gravitacional entre la Tierra y la Luna.<br />
b) ¿Cómo lo vamos a resolver? Aplicando la expresión algebraica de la ley de la gravitación universal.<br />
c) Datos con los que contamos:<br />
m 1<br />
= 7.36 * 10 22 kg (masa de la Luna)<br />
m 2<br />
= 5.98 * 10 24 kg (masa de la Tierra)<br />
r = 384 402 km = 3.844 x 10 8 m (distancia entre la Tierra y la Luna)<br />
G = 6.67 * 10 -11 N·m 2 /kg 2<br />
Para calcular la fuerza de atracción gravitacional se emplea la fórmula:<br />
m 1<br />
m<br />
F = G<br />
2<br />
r 2<br />
m 1<br />
m<br />
F = G<br />
2<br />
Sustituimos los datos en la fórmula: r 2<br />
Nm 2 (7.36 * 10 22 kg)(5.98 * 10 24 kg)<br />
F = 6.67 * 10 -11<br />
kg 2 (3.844 * 10 8 ) 2<br />
Nm 2 (7.36 * 10 22 kg)(5.98 * 10 24 kg)<br />
F = 6.67 * 10 -11<br />
kg 2 F = 1.99 *(3.844 10 20 N * 10 8 ) 2<br />
¯˚˙<br />
F = 1.99 * 10 20 N<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Al comparar la fuerza obtenida en el ejemplo anterior con la obtenida en este ejemplo, notamos la gran diferencia<br />
entre las mismas, con lo cual se concluye que para que la fuerza de atracción gravitacional sea de una<br />
magnitud apreciable, las masas consideradas en el cálculo deben ser muy grandes, o por lo menos una de ellas.<br />
¯˚˙
82 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
3.1.3 <strong>La</strong> fuerza de atracción gravitacional de cuerpos cercanos<br />
a la superficie de la Tierra<br />
Dentro de los conceptos definidos en la Dinámica, se dijo que el peso de un cuerpo<br />
es la fuerza que actúa sobre él originada por la acción de un campo gravitacional,<br />
que para el caso específico es el de la Tierra. Por otro lado, Newton afirmó que la<br />
atracción es mutua entre los cuerpos, así que el peso de un cuerpo sobre la superficie<br />
de la Tierra es igual a la fuerza de atracción entre el cuerpo y la Tierra y están separados<br />
exactamente la distancia entre sus centros, la cual es igual al radio de la Tierra.<br />
Así que, como ya se dijo:<br />
y<br />
F = w<br />
w = mg<br />
Es decir, igualando la expresión de la fuerza gravitacional y la <strong>del</strong> peso de un cuerpo,<br />
obtenemos:<br />
mm<br />
G<br />
T<br />
= mg<br />
r 2 T<br />
m T<br />
r 2 T<br />
En la expresión anterior se puede cancelar la masa <strong>del</strong> cuerpo, ya que aparece en<br />
g = G<br />
ambos lados de la igualdad, lo que significa que la aceleración de la gravedad no depende<br />
de la masa <strong>del</strong> cuerpo, sino solo de mmla masa de la Tierra, de donde obtenemos<br />
G<br />
T<br />
= mg<br />
la siguiente expresión para calcular el valor de la aceleración g:<br />
g = G<br />
r 2 T<br />
m T<br />
r 2 T<br />
Recordemos que el valor de la aceleración de la gravedad que manejamos comúnmente<br />
(g = 9.8 m/s 2 ), se ha obtenido eminentemente en forma experimental, pero si<br />
utilizamos esta última expresión sustituyendo los datos de la Tierra y la constante<br />
de gravitación universal, podemos obtener el valor teórico de la aceleración de la<br />
gravedad en la superficie de la Tierra. Veamos:<br />
Datos conocidos de la Tierra:<br />
Masa de la tierra: m T<br />
= 5.98 * 10 24 kg<br />
Radio de la Tierra: r T<br />
= 6380 km = 6.38 * 10 6 m<br />
Constante de gravitación universal: G = 6.67 * 10 -11 Nm 2 /kg 2<br />
Sustituimos estos datos en la expresión (2) y obtenemos:<br />
Nm 2 (5.98 * 10 24 kg)<br />
g = 6.67 * 10 -11<br />
kg 2 (6.38 * 10 6 m) 2<br />
Nm 2 (5.98 * 10 24 kg)<br />
m g = 6.67 * 10 -11<br />
g = 9.799<br />
kg 2 (6.38 * 10 6 m) 2<br />
s 2<br />
El cual se puede redondear g = 9.8como:<br />
m m<br />
g = 9.799<br />
s 2<br />
s 2<br />
g = 9.8 m<br />
a g<br />
= G<br />
m s 2<br />
T<br />
(r t<br />
+ h) 2 a g<br />
= G<br />
m T<br />
(r t<br />
+ h) 2<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
(2)
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 83<br />
Nm 2 (5.98 * 10 24 kg)<br />
g = 6.67 * 10 -11<br />
<strong>La</strong> expresión (2), obtenida en el análisis anterior, nos<br />
kg<br />
proporciona 2 (6.38 * 10<br />
el 6 m)<br />
valor 2<br />
de la aceleración<br />
de la gravedad en, o muy cerca de, la m superficie de la Tierra. Sin embargo,<br />
g = 9.799<br />
podemos encontrar otra expresión en la cual obtenemos s 2 el valor de la aceleración de<br />
la gravedad cuando un cuerpo se encuentra a determinada altura (h) con respecto a la<br />
g = 9.8 m superficie de la Tierra. En esta expresión, el s 2<br />
valor <strong>del</strong> radio de separación se puede<br />
calcular como r = r T<br />
+ h, que al sustituir en la fórmula anterior se obtiene que:<br />
a g<br />
= G<br />
m T<br />
(r t<br />
+ h) (3)<br />
2<br />
¯˚˙<br />
En donde se hace un cambio en la simbología utilizando a g<br />
para representar el valor<br />
de la aceleración de la gravedad a cualquier altura, ya que g se utiliza para representar<br />
dicha aceleración en la superficie de la Tierra, es decir, g = 9.8 m/s 2 .<br />
¯˚˙<br />
EJEMPLO 3.3<br />
<strong>La</strong> Estación Espacial Internacional (ISS) es un centro de investigación científica permanentemente tripulada,<br />
en la que se alternan astronautas e investigadores de diferentes nacionalidades. <strong>La</strong> estación se encuentra en<br />
órbita a una altura aproximada de 408 km de la superficie terrestre. ¿Cuál es el valor de la aceleración de la<br />
gravedad a dicha altura?<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos hacer? Calcular la aceleración de la gravedad a una altura de 408 km.<br />
b) ¿Cómo lo vamos a hacer? Aplicando la expresión (3) que relaciona la aceleración de la gravedad en<br />
función de la altura.<br />
c) Datos con los que contamos:<br />
h = 408 km = 4.08 * 10 5 m (altura que se encuentra la Estación Espacial Internacional)<br />
m T<br />
= 5.98 * 10 24 kg (masa de la Tierra)<br />
r T<br />
= 6,380 km = 6.38 * 10 6 m (radio de la Tierra)<br />
G = 6.67 * 10 -11 Nm 2 /kg 2 (constante de gravitación universal)
84 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Para calcular la aceleración gravitacional se emplea la fórmula:<br />
m T<br />
Sustituimos los datos en la expresión a g<br />
= G anterior:<br />
(r t<br />
+ h) 2<br />
¯˚˙<br />
a g<br />
= 6.67 * 10<br />
m T<br />
a g<br />
= G<br />
(r t<br />
+ h) 2<br />
¯˚˙<br />
¯˚˙<br />
Nm2<br />
-11<br />
a g<br />
= 6.67 * 10<br />
kg 2<br />
5.98 * 10 24 kg<br />
5.98<br />
a g<br />
= 8.66 m * 10 24 kg<br />
kg 2 (6.38 s 2 6<br />
* 10 + 4.08 * 10 5 m) 2<br />
-11<br />
Nm2<br />
¯˚˙<br />
6<br />
(6.38 * 10 + 4.08 * 10 5 m) 2<br />
a g<br />
= 8.66 m s 2<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Como vemos, la aceleración de la gravedad a la altura de la Estación Espacial Internacional es alrededor de<br />
11.6% menor que en la superficie terrestre, concluyendo que cuanto más alejado se encuentre un objeto de<br />
la superficie de la Tierra, la aceleración de la gravedad que actúe sobre él será cada vez menor.<br />
Resumiendo todo el análisis anterior, concluimos que las mediciones experimentales coinciden con los<br />
cálculos teóricos, por lo tanto, tenemos evidencia de que la ley de la gravitación universal es válida y es<br />
posible utilizar este mismo procedimiento para determinar la aceleración de la gravedad en otros planetas,<br />
dado que se conoce su masa y su radio.<br />
g P<br />
= G m P<br />
r 2 (4)<br />
P<br />
g P<br />
= G m P<br />
r 2 P<br />
a gP = G<br />
m P<br />
(r P<br />
+ h)<br />
a 2 gP = G<br />
m P<br />
(5)<br />
(r P<br />
+ h) 2<br />
En las cuales:<br />
g P<br />
= representa la aceleración de la gravedad en la superficie de un planeta.<br />
m P<br />
es la masa de ese planeta. y<br />
r P<br />
es el radio <strong>del</strong> mismo planeta.<br />
a gP<br />
es la aceleración de la gravedad a una altura h de la superficie de un planeta dado.<br />
EJEMPLO 3.4<br />
a) ¿Cuál es la aceleración de la gravedad en la superficie <strong>del</strong> planeta Marte?<br />
b) ¿Cuál es la aceleración de la gravedad a una altura de 700 km de la superficie <strong>del</strong> planeta Venus?<br />
Solución<br />
a) Vamos a calcular la aceleración de la gravedad en la superficie de Marte.<br />
Datos con los que contamos<br />
m Marte<br />
= 6.42 * 10 23 kg<br />
r Marte<br />
= 3.37 * 10 6 m<br />
G = 6.67 * 10 -11 Nm 2 /kg 2
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 85<br />
Sustitución de datos en la expresión (4):<br />
G = 6.67 * 10 -11<br />
Nm 2<br />
kg 2<br />
Nm 2<br />
g Marte<br />
= 6.67 * 10 -11<br />
kg 2<br />
¯˚˙<br />
m<br />
g Marte<br />
= 3.77<br />
s 2<br />
¯˚˙<br />
(6.42 * 10 23 kg)<br />
(3.37 * 10 6 m) 2<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado: Dado que la masa de Marte y su radio son menores que los de la tierra, lógicamente<br />
la gravedad en su superficie es menor.<br />
b) Calculemos ahora la aceleración de la gravedad a 700 km de la superficie <strong>del</strong> planeta Venus.<br />
Datos con los que contamos:<br />
m Venus<br />
= 4.88 * 10 24 kg<br />
r Venus<br />
= 6.06 * 10 6 m<br />
h = 700 km = 7 x 10 5 m<br />
G = 6.67 * 10 -11 Nm 2 /kg 2<br />
Sustituimos los datos en la expresión (5):<br />
Nm 2<br />
a g Venus<br />
= 6.67 * 10 -11<br />
kg 2<br />
m<br />
ag<br />
Venus<br />
= 7.12<br />
¯˚˙<br />
s 2<br />
¯˚˙<br />
(4.88 * 10 24 kg)<br />
(6.06 * 10 6 m + 7 * 10 5 m) 2<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado: En este inciso calculamos la aceleración de la gravedad a 700 kilómetros de la<br />
superficie de Venus, obteniendo un valor de 7.12 m/s 2 , el cual es 19.63% menor que en su superficie, que<br />
es de 8.86 m/s 2 .<br />
3.1.4 Aplicaciones de la ley de la gravitación universal de Newton<br />
Una pregunta muy frecuente de los estudiantes preparatorianos a los profesores es:<br />
“¿Y a mí para qué me sirve conocer todo esto?” Es una pregunta que les hacen no<br />
solo a los profesores de Física, sino también a los de Matemáticas, Química, Biología,<br />
Filosofía, etcétera, puesto que no le hallan ninguna utilidad práctica, al menos<br />
en el momento actual de sus vidas. Y no es una pregunta menor, claro que está justificada,<br />
más aún cuando pocas veces, o quizá nunca, se les explican los motivos de<br />
los temas de estudio ni de los contenidos de las unidades de aprendizaje. Por ello<br />
incluiremos enseguida algunas de las aplicaciones prácticas más importantes que ha<br />
traído como consecuencia el conocimiento de esta ley universal.<br />
1. El descubrimiento de Neptuno. Este planeta cercano a los límites <strong>del</strong> Sistema<br />
Solar fue observado en 1846 por el astrónomo alemán Johan Galle cuando<br />
enfocó su telescopio a la posición que Urbain Le Verrier y John Couch<br />
Adams habían predicho, cada uno por su cuenta, al observar algunas irregularidades<br />
en la órbita de Urano, descubierto en 1781 por William Herschel.<br />
Le Verrier supuso que tales desviaciones podrían deberse a la interacción
86 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
gravitatoria de Urano con otro astro que aún no se conocía. Luego de realizar<br />
una serie de cálculos laboriosos, propuso la posición en la que debería<br />
encontrarse ese otro planeta, lo mismo que Adams, sin embargo, fue Johan<br />
Galle quien orientó su telescopio a esa posición y no tardó en encontrar el<br />
nuevo planeta, que llamó Neptuno por su color verde azuloso.<br />
2. Medir la masa y la densidad de la Tierra o cualquier otro planeta. Conociendo<br />
la ley de la gravitación universal es posible calcular algo como la masa<br />
de la Tierra. ¿Qué hace falta conocer para calcularla? Simplemente con conocer<br />
la aceleración de caída de un objeto en la superficie de la Tierra o la<br />
aceleración centrípeta de la Luna, podemos manipular la expresión de esta<br />
ley para obtener el dato desconocido que falta, que es la masa de la Tierra.<br />
Asimismo, podemos calcular la masa <strong>del</strong> Sol, o cualquier otro planeta, teniendo<br />
datos de su movimiento y de su distancia.<br />
3. Variación <strong>del</strong> peso de un cuerpo con su altura respecto de la Tierra. Como lo<br />
hemos visto en esta misma etapa, es posible conocer la variación <strong>del</strong> peso de<br />
un cuerpo cuando se lleva a diferentes alturas con respecto de la superficie<br />
<strong>del</strong> planeta, dado que la aceleración de la gravedad disminuye en la misma<br />
proporción.<br />
4. Cálculo de órbitas de satélites. Aplicando la ley de la gravitación se puede<br />
calcular la posición y la velocidad que debe tener un satélite para ponerlo en<br />
órbita alrededor de la Tierra. Esto es ampliamente utilizado en la actualidad en<br />
los satélites de comunicaciones, observatorios de condiciones atmosféricas,<br />
militares, etcétera.<br />
5. <strong>La</strong>nzamiento de sondas espaciales. Como es sabido, se han lanzado sondas<br />
espaciales que viajan a través <strong>del</strong> Sistema Solar. <strong>La</strong> sonda Mariner, Callipso,<br />
las Voyager, Pionner, entre otras. Todo ello gracias al conocimiento de la ley<br />
de la gravitación universal.<br />
■ Actividad 1 Ley de la gravitación universal<br />
Considerando los datos que se te proporcionan, lee, analiza y resuelve los siguientes<br />
ejercicios. No olvides interpretar claramente tus hallazgos.<br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
1. Dos masas con valores de 8 kg y 12 kg cada una<br />
se encuentran separadas por una distancia de 1 m.<br />
Determinar la fuerza de atracción gravitacional<br />
entre ellas. Si se compara con el valor de sus<br />
pesos, ¿cómo es este valor?<br />
Datos:
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 87<br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
2. Encontrar la distancia que separa a dos masas de<br />
1.5 kg cada una con una fuerza de atracción de<br />
1 N.<br />
Datos:<br />
3. Encontrar el peso de un astronauta que se<br />
encuentra en una nave espacial orbitando a 250 km<br />
de la superficie de la Tierra, si su masa es de 90 kg<br />
(masa de la Tierra = 5.976 * 10 24 kg y la distancia<br />
<strong>del</strong> radio de la Tierra es de 6.371 * 10 6 m.<br />
Datos:<br />
4. Se desea conocer el valor de la gravedad en la<br />
punta <strong>del</strong> Monte Everest, que se ubica a una<br />
altura de 8 850 m sobre el nivel <strong>del</strong> mar, y la masa<br />
de la Tierra es de 5.976 * 10 24 kg.<br />
Datos:
88 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
5. Si se conoce que el valor de la gravedad en la<br />
superficie de Marte es de 0.38 la de la Tierra, y<br />
que el valor <strong>del</strong> radio de Marte es de 3 400 km.<br />
Determinar la masa de Marte.<br />
Datos:<br />
3.2 Trabajo y potencia<br />
El término trabajo es muy común en la vida diaria. Se habla de trabajo cuando realizamos<br />
un esfuerzo para conseguir algo que deseamos o necesitamos. Por ejemplo,<br />
se realiza un trabajo cuando empujamos un mueble para cambiarlo de lugar o cuando<br />
levantamos una maleta para transportarla. También al elaborar un reporte de actividades<br />
o cuando se dicta una conferencia. En Física, el término trabajo se refiere a<br />
algo más específico y preciso para cumplir con el rigor científico. En esta etapa vamos<br />
a esclarecer lo que representa el trabajo. Más a<strong>del</strong>ante veremos cómo el trabajo<br />
se relaciona con otro concepto muy conocido en nuestros días: la energía. En todos<br />
los ejemplos mencionados existe un gasto o un consumo de energía.<br />
3.2.1 Trabajo<br />
Como se dijo antes, en la vida cotidiana la palabra trabajo se refiere a cualquier actividad<br />
que represente un esfuerzo físico o mental. En Física se considera el concepto<br />
trabajo en un sentido más técnico, con la intención de medirlo o calcularlo. Se realiza<br />
un trabajo cuando subimos una escalera, destapamos un refresco, movemos una<br />
silla, levantamos una caja. En todos estos ejemplos hay algo en común: una fuerza<br />
aplicada y un desplazamiento. Es decir, una fuerza que actúa sobre un objeto realiza<br />
un trabajo cuando el objeto se mueve en una determinada dirección.<br />
El siguiente estudio <strong>del</strong> trabajo lo haremos considerando el movimiento en una<br />
dimensión y bajo la acción de una fuerza constante. Tomando en cuenta lo anterior,<br />
el trabajo efectuado sobre un cuerpo se puede definir como:<br />
El trabajo W realizado por una fuerza constante se define como el producto<br />
de la magnitud de la fuerza F por la magnitud <strong>del</strong> desplazamiento x, ambas<br />
en la misma dirección a través <strong>del</strong> cual actúa la fuerza por el coseno <strong>del</strong><br />
ángulo () que existe entre la fuerza y el desplazamiento.<br />
Expresado en forma matemática:<br />
W = F # cos # x (1)
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 89<br />
F<br />
Figura 3.1 Una fuerza constante F en la<br />
misma dirección que el desplazamiento, ∆x,<br />
realiza trabajo F∆x.<br />
x<br />
TIP<br />
El trabajo es hecho por algo<br />
sobre algo.<br />
El trabajo no resulta por sí mismo.<br />
Se realiza por algo en el medio<br />
ambiente sobre el objeto de interés.<br />
F g = mg<br />
F cos<br />
Una fuerza constante ejercida en<br />
un ángulo con respecto al desplazamiento<br />
realiza trabajo .<br />
F g = mg<br />
Ningún trabajo se realiza sobre una cubeta<br />
cuando ésta se traslada horizontalmente a<br />
causa de la fuerza aplicada F que es<br />
perpendicular al desplazamiento.<br />
El estudiante realiza trabajo positivo<br />
cuando leventa la caja, debido a la<br />
fuerza aplicada F está en la misma<br />
dirección que el desplazamiento.<br />
Cuando baja la caja hacia el piso,<br />
él realiza trabajo negativo.<br />
El trabajo es el producto escalar de dos vectores: el vector fuerza y el vector desplazamiento.<br />
Siempre que se obtenga el producto escalar de dos vectores, hay que<br />
considerar sus direcciones, es decir, determinar cuál es el ángulo () que se forma<br />
entre ellos. Sin embargo, el trabajo es una magnitud escalar a pesar de que se forma a<br />
partir de dos vectores. Esto significa que el trabajo, como tal, no tiene una dirección<br />
determinada, sino que depende de su posición inicial y de su posición final, independientemente<br />
de la trayectoria que se siga. Más a<strong>del</strong>ante veremos ejemplos donde se<br />
clarificará esta característica <strong>del</strong> trabajo.<br />
Para que se realice trabajo se requiere: primero, que exista una fuerza, y, segundo,<br />
que exista un desplazamiento, ya que si falta alguno de estos elementos no habrá<br />
trabajo realizado.<br />
Unidades de trabajo<br />
Para obtener las unidades de trabajo en el Sistema Internacional de Unidades podemos<br />
realizar un análisis dimensional de la expresión (1), sustituyendo únicamente<br />
las unidades de las magnitudes físicas involucradas, es decir, la fuerza y el desplazamiento.<br />
(Recuerda que las funciones trigonométricas carecen de unidades). Así<br />
tenemos:<br />
W[=](N)(m) = joule<br />
1 joule se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton<br />
cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 metro, en la misma dirección<br />
<strong>del</strong> desplazamiento.<br />
Descomponiendo el newton en sus unidades fundamentales, tenemos:<br />
1 J = 1 Nm = 1 kg m/s 2 # m = 1 kg # m 2 /s 2<br />
En cuanto al sistema sexagesimal (CGS), tenemos que las unidades <strong>del</strong> trabajo son:<br />
W [=] dina # cm = erg
90 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
1 erg se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 dina<br />
cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 centímetro en la misma<br />
dirección <strong>del</strong> desplazamiento.<br />
Ahora, tomando en cuenta las equivalencias entre el newton y la dina y entre el metro<br />
y el centímetro, la equivalencia entre joule y erg es:<br />
1 J = 10 7 erg<br />
■ Actividad 2<br />
En cada una de las siguientes figuras dibuja los vectores de fuerza y de desplazamiento<br />
que correspondan, según la situación, y escribe la fórmula <strong>del</strong> trabajo que se aplicaría<br />
para cada una, indicando el ángulo que existe entre la fuerza y el desplazamiento.<br />
Una vez realizada la actividad, expongan en plenaria los argumentos que consideraron<br />
en cada situación para dibujar los vectores y escribir la fórmula.
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 91<br />
Ahora estamos listos para resolver ejemplos de problemas donde se calcule el trabajo.<br />
Vamos a presentar algunos ejercicios resueltos y en la autoevaluación se incluyen<br />
preguntas y problemas para que practiques y te apropies mejor de este conocimiento.<br />
Ejemplos de problemas para el cálculo <strong>del</strong> trabajo<br />
Dado que el trabajo es una cantidad escalar, si sobre un mismo cuerpo se encuentran<br />
aplicadas dos o más fuerzas, para obtener el trabajo resultante que realizan sobre el<br />
cuerpo se calcula el trabajo que efectúa cada una de ellas y se suman estos resultados.<br />
<strong>La</strong> suma es algebraica, ya que se trata de cantidades escalares. El resultado sería<br />
el mismo si primero se calcula la fuerza resultante de todas las fuerzas y luego el<br />
trabajo que realiza esta fuerza o su componente a lo largo <strong>del</strong> desplazamiento.<br />
EJEMPLO 3.5<br />
¿Qué fuerza se requiere para levantar una caja de 8 kg hasta una altura de<br />
2 m? ¿Cuánto trabajo realiza la fuerza aplicada para levantar la caja a dicha<br />
altura? Considérese que este movimiento se realiza a velocidad constante.<br />
Solución<br />
a) Escribimos los datos que se nos dan e identificamos las incógnitas:<br />
m = 8 kg<br />
h = 2 m<br />
Incógnitas:<br />
F = ?<br />
W = ?<br />
s = h<br />
final<br />
F = mg<br />
inicial<br />
w = mg<br />
b) Analizando el planteamiento <strong>del</strong> problema, podemos deducir que la fuerza necesaria para levantar<br />
la caja debe estar dirigida hacia arriba, apuntando en la misma dirección <strong>del</strong> desplazamiento. Entonces,<br />
al elaborar un diagrama <strong>del</strong> cuerpo libre (figura) y estableciendo una sumatoria de fuerzas<br />
en y, tenemos lo siguiente:<br />
∑Fy = 0<br />
Dado que el movimiento es con velocidad constante:<br />
∑Fy = F - w = 0<br />
F = w<br />
Por lo tanto, encontramos que la fuerza necesaria para levantar la caja es igual a su propio peso.<br />
Haciendo cálculos:<br />
F = w = m g = (8 kg)(9.8 m/s 2 )<br />
F = 78.4 N<br />
c) Ahora, para calcular el trabajo tomamos la ecuación (1).<br />
W = F cos x<br />
Pero la fuerza F es igual al peso <strong>del</strong> cuerpo y el desplazamiento corresponde a la altura (h) a la que se va a<br />
llevar la caja. Además estos dos vectores apuntan hacia la misma dirección, es decir, el ángulo entre ellos<br />
es 0°, entonces:
92 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
W = F cos 0° x<br />
Y como el coseno de 0° es igual a uno, queda:<br />
W = m g h<br />
W = (8 kg)(9.8 m/s 2 )(2 m)<br />
W = 156.8 N # m<br />
W = 156.8 J<br />
4. Por lo tanto, el trabajo realizado al elevar la caja hasta una altura de 2 m es de 156.8 joule.<br />
EJEMPLO 3.6<br />
Una persona arrastra un bulto de 50 kg sobre el piso desplazándolo una distancia de 3.4 m. Si la fuerza aplicada<br />
por la persona es de 600 N, calcular el trabajo realizado.<br />
Solución<br />
a) Identifica los datos que se nos proporcionan, así como las incógnitas que se piden:<br />
m = 50 kg<br />
w = mg = 490 N<br />
F = 600 N<br />
x = 3.4 m<br />
Incógnitas:<br />
W = ?<br />
b) Hay que elaborar el diagrama <strong>del</strong> cuerpo libre. Para ello debemos identificar las fuerzas que actúan<br />
sobre el bulto y estas son: la fuerza F que es la que aplica la persona, la fuerza normal (N) y el peso<br />
<strong>del</strong> cuerpo (w). <strong>La</strong>s fuerzas N y w no realizan trabajo sobre el bulto, ya que son perpendiculares al<br />
movimiento, es decir, el ángulo entre estas fuerzas y el desplazamiento es de 90°, o bien, de 270°<br />
y el coseno de esos ángulos es igual a 0, por lo tanto:<br />
W N<br />
= 0<br />
W w<br />
= 0<br />
c) Calcularemos a continuación el trabajo realizado por la fuerza en la dirección <strong>del</strong> movimiento:<br />
W = F # cos # x<br />
d) Debemos establecer el ángulo que existe entre la dirección de la fuerza aplicada y la dirección <strong>del</strong><br />
desplazamiento, razonando que si la persona empuja el bulto sobre el piso, entonces las direcciones<br />
de ambos son iguales, por lo tanto, = 0°.<br />
e) Sustituimos los datos en la fórmula <strong>del</strong> trabajo y obtenemos:<br />
W = (600N)(cos0º)(3.4m)<br />
W = 2040 N # m<br />
W = 2040 joule
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 93<br />
3.2.2 Potencia<br />
El tiempo necesario para llevar a cabo un trabajo o la rapidez con la cual se realiza<br />
es de gran importancia en muchas aplicaciones técnicas. Realizar un trabajo, por<br />
ejemplo, subir un mueble de un piso a otro, puede llevar segundos, minutos u horas.<br />
En todos los casos se efectúa el mismo trabajo, si la fuerza aplicada es siempre la<br />
misma. En ingeniería es común la fabricación de maquinaria y equipo en donde se<br />
contempla la rapidez con la cual se realizará determinado trabajo. Al efectuar el<br />
recorrido de una cierta distancia, nos fatiga más realizarla corriendo y en segundos,<br />
que hacerlo caminando y en minutos. En general, el hombre siempre ha buscado<br />
realizar su trabajo en el menor tiempo posible, de aquí la necesidad de incluir un<br />
nuevo concepto en el cual se considere el tiempo requerido para efectuar un trabajo<br />
determinado. Para ello, definimos el concepto potencia de la siguiente manera:<br />
<strong>La</strong> potencia (P) se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad<br />
de tiempo, o bien, como la rapidez con que se efectúa un trabajo.<br />
Si un determinado trabajo (W) se realiza en un intervalo de tiempo (∆t), la potencia<br />
media P se puede obtener mediante la siguiente expresión:<br />
W<br />
P = ¢t<br />
(2)<br />
Donde P representa la potencia promedio en un intervalo de tiempo (∆t), durante el<br />
cual se efectúa el trabajo (W).<br />
En el Sistema Internacional (SI), la unidad de potencia es el joule/segundo, el<br />
cual recibe el nombre de watt o vatio (W).<br />
Un watt (W) o vatio se define como la potencia desarrollada al realizar<br />
un trabajo de 1 joule en un tiempo de 1 segundo.<br />
Un múltiplo de esta unidad es el kilowatt (kW), el cual equivale a 10 3 W:<br />
1 kW = 1000 W
94 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
En el sistema CGS la unidad de potencia es el erg/s.<br />
Otra unidad de potencia muy común es el llamado caballo de fuerza o HP (horse<br />
power, en inglés), cuya equivalencia es:<br />
1 HP = 746 W<br />
En general, la potencia media desarrollada está dada por:<br />
W<br />
P = ¢t<br />
En donde t representa el tiempo en el cual se efectúa el trabajo (W). Si la fuerza (F)<br />
es constante, entonces la potencia está dada por:<br />
F · x<br />
P =<br />
t<br />
x<br />
P = F<br />
t<br />
P = F · v<br />
(3)<br />
Donde v = x/t es la rapidez media.<br />
A partir de esta expresión (3) se concluye que la potencia desarrollada se puede<br />
expresar en función de la rapidez con la que se realiza un trabajo. Veamos los siguientes<br />
ejemplos.<br />
Ejemplos de problemas para el cálculo de la potencia<br />
Objetivo: Calcular la potencia que se desarrolla cuando se produce un trabajo.<br />
EJEMPLO 3.7<br />
Un elevador de 2 400 kg sube hasta una altura de 20 m en 1 minuto con velocidad constante. Determinar:<br />
a) ¿Qué cantidad de trabajo realiza el motor?<br />
b) ¿Cuál es la potencia <strong>del</strong> motor en watts?<br />
c) ¿Cuál es la potencia <strong>del</strong> motor en HP?<br />
Solución<br />
1. Identificamos los datos que tenemos:<br />
Datos:<br />
m = 2 400 kg<br />
h = 20 m<br />
t = 1 min = 60 s<br />
2. Para calcular el trabajo (inciso a) se tiene que F = w, ya que la velocidad con la que sube es constante<br />
y x = h, por lo cual:
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 95<br />
W = F # cos # x<br />
W = w # cosº # h<br />
W = m # g # h<br />
W = (2400 kg)(9.8 m/s 2 )(20 m)<br />
W = 470 400 J<br />
3. <strong>La</strong> potencia (inciso b) la obtenemos aplicando la ecuación (2).<br />
P =<br />
W<br />
t<br />
470 400 J<br />
P =<br />
60s<br />
P = 7840 W<br />
4. Por último (inciso c), la potencia en HP la obtenemos convirtiendo la potencia en watt a HP con la<br />
equivalencia 1 HP = 746 W.<br />
7840 W = 7840 W<br />
1 HP<br />
746W<br />
P = 7840 W = 10.50 HP<br />
EJEMPLO 3.8<br />
Un motor produce una fuerza de 450 N sobre la banda de un transportador y la mueve con una rapidez constante<br />
de 5.5 m/s. ¿Cuál es la potencia media <strong>del</strong> motor? En a) kW; b) HP.<br />
Solución<br />
1. Analicemos los datos que tenemos:<br />
F = 450 N<br />
v = 5.5 m/s<br />
2. Para calcular la potencia usamos la ecuación (3), dado que tenemos fuerza y velocidad:<br />
Luego, transformando a kilowatt tenemos:<br />
P = F # v<br />
P = (450 N)(5.5 m/s)<br />
P = 2 475 N # m/s<br />
P = 2 475 J/s<br />
P = 2 475 W<br />
2475 W = 2475 W<br />
1 kW<br />
10 3 W<br />
P = 2.475 kW
96 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
3. <strong>La</strong> potencia en HP la obtenemos transformando la potencia en watt a HP, como en el ejemplo anterior:<br />
2475 W = 2475 W<br />
1 HP<br />
746W<br />
P = 3.31 HP<br />
■ Actividad 3<br />
Resuelve en los espacios en blanco los siguientes ejercicios.<br />
Problema Procedimiento Interpretación<br />
1. Calcular el trabajo realizado cuando una<br />
persona empuja un baúl sobre una superficie<br />
horizontal, a lo largo de una distancia de 20 m,<br />
aplicando una fuerza de 50 N en la misma<br />
dirección <strong>del</strong> movimiento.<br />
2. Un caballo arrastra un bulto de cemento sobre<br />
el piso por medio de una cuerda que forma un<br />
ángulo de 42° con respecto al piso, aplicando<br />
una fuerza de 180 N a través de la cuerda.<br />
¿Cuál es el trabajo desarrollado por el caballo<br />
si la distancia recorrida es de 8 m?<br />
3. Un trabajador de la construcción empuja una<br />
carga de 60 kg sobre el piso a lo largo de una<br />
distancia de 14 m aplicando una fuerza de<br />
260 N, luego levanta la carga verticalmente<br />
hasta una plataforma que se encuentra a 1.2 m<br />
<strong>del</strong> piso. Este trabajo lo realizó en un total de<br />
3 minutos. ¿Cuál es el trabajo y la potencia<br />
total desarrollada por el trabajador?<br />
4. Un niño arrastra un trineo de 10 kg sobre el<br />
piso mediante una cuerda que forma un ángulo<br />
de 36° con la horizontal. Si la fuerza aplicada<br />
por el niño es de 60 N y la distancia que lo<br />
arrastra es de 25 m, determinar el trabajo<br />
realizado por niño.<br />
5. Se desea utilizar una rampa de 3 m de largo<br />
para subir muebles hasta una plataforma que<br />
está a una altura de 1 m. Los muebles tienen<br />
un peso de 100 N. ¿Cuál debe ser la fuerza<br />
necesaria para subir los muebles con velocidad<br />
constante?<br />
Discute con tus compañeros las dificultades que tuviste al resolver los ejercicios y<br />
pide a tu maestro que te los revise.
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 97<br />
3.3 Energía<br />
En la actualidad, el concepto energía es ampliamente difundido en el ámbito económico,<br />
político y social de nuestro quehacer diario. Y no es para menos, puesto que<br />
de los recursos energéticos dependen gran parte de la activación, el desarrollo y la<br />
evolución de las economías de todos los países. Por ejemplo, se habla de las reservas<br />
de petróleo con que cuentan países como Kuwait, Venezuela, Estados Unidos y México,<br />
entre otros. Los gobiernos están preocupados por conseguir recursos energéticos<br />
alternativos, como la energía eólica, mareomotriz, el biodiesel, por citar algunos. Escasean<br />
o empiezan a escasear los yacimientos de carbón, de gas natural y otros combustibles<br />
fósiles. Cada vez es más común encontrar paneles solares que aprovechan la<br />
energía radiante <strong>del</strong> Sol, al cual aún no se le saca el máximo provecho. Como podrás<br />
darte cuenta, el tema de la energía es muy actual y es una gran área de oportunidad de<br />
la cual se pueden obtener muchos beneficios sabiendo aplicar la ciencia para encontrar<br />
la tecnología necesaria para ello, todo ello sin dañar el medio ambiente.<br />
En general, la energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.<br />
3.3.1 Formas de la energía<br />
Se sabe que la energía se puede presentar en diversas formas. Podemos mencionar<br />
las siguientes:<br />
• Energía térmica. Cuando un combustible como el carbón se quema, libera<br />
energía térmica.<br />
• Energía eléctrica. Cuando encendemos un televisor se utiliza la energía<br />
eléctrica.<br />
• Energía química. Cuando el cuerpo humano digiere los alimentos, se libera<br />
la energía química que contienen.<br />
• Energía radiante. Todos los cuerpos emiten radiación en función de su temperatura.<br />
El Sol, las estrellas, una bombilla, todos emiten energía radiante.<br />
• Energía nuclear. Un reactor nuclear produce calor debido a la liberación de<br />
la energía <strong>del</strong> núcleo de los átomos.<br />
• Energía mecánica. También podemos mencionar que un objeto que cae libremente<br />
posee energía. En este caso, energía mecánica.<br />
Todas estas formas de energía se pueden transformar entre sí. De hecho, cada vez<br />
que la energía se manifiesta es porque ocurre una transformación. Analiza los ejemplos<br />
anteriores para que veas qué tipo de energía resulta en cada transformación y<br />
coméntalo con tus maestros o con tus compañeros.<br />
■ Actividad 4<br />
En esta actividad ampliarás tus conocimientos sobre el tema de la energía al investigar<br />
fuentes de energía alternativas a las que se han mencionado.<br />
Elabora en equipo una presentación de un mínimo de 15 diapositivas acerca<br />
de las fuentes de energía alternativas que se han investigado y desarrollado en esta<br />
última década. <strong>La</strong> presentación deberá contener:
98 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
• el nombre de las fuentes de energía,<br />
• el fundamento de su obtención,<br />
• el uso que se les da,<br />
• la posibilidad de producción a gran escala como una solución a la crisis<br />
energética, y<br />
• el punto de vista desde la perspectiva de la Química, la Biología, la Ecología<br />
y otras ciencias afines, acerca de los beneficios o perjuicios de estas formas<br />
de energía.<br />
<strong>La</strong> presentación se discutirá en clase y harán una reflexión acerca de la importancia<br />
de la obtención de energía en la actualidad.<br />
3.3.2 Energía mecánica<br />
Como ya se mencionó, la energía se relaciona con el trabajo debido a que al realizarlo<br />
hay un consumo de energía.<br />
Cuando el trabajo realizado implica movimiento o posibilidad de movimiento,<br />
se habla de energía mecánica. Para definirla con mayor propiedad vamos a desarrollar<br />
un procedimiento matemático utilizando leyes y ecuaciones que ya hemos<br />
trabajado en etapas anteriores.<br />
Tomando en cuenta la 2 a Ley de Newton<br />
F = ma<br />
Y la fórmula de aceleración:<br />
a= vf−vi<br />
t<br />
Sustituimos la expresión de aceleración en la 2ª ley de Newton de la siguiente forma:<br />
m ( vf − vi )<br />
F =<br />
t<br />
Y recurrimos a la expresión <strong>del</strong> cálculo de la distancia recorrida en un movimiento<br />
acelerado:<br />
x = ( vf + vi) t<br />
2<br />
Despejando “t” de la expresión anterior y sustituyendo en la 2ª ley, tenemos:<br />
⎛<br />
F m v v f<br />
−<br />
i⎞<br />
= ( vf<br />
vi)<br />
⎝<br />
⎜<br />
2x<br />
⎠<br />
⎟ +<br />
Y reacomodando términos mediante una diferencia de cuadrados, nos queda:<br />
F ∙ x = mv2 f − mv2 i<br />
2 2<br />
De aquí, encontramos que el producto F · x, que es igual al trabajo, también es igual<br />
a una diferencia entre dos magnitudes dimensionalmente iguales mv 2 /2, entonces<br />
llamaremos a esta magnitud energía cinética y la representaremos con el símbolo<br />
K. De esta manera, tenemos:<br />
Luego:<br />
K = mv2<br />
2<br />
W = K f<br />
− K i<br />
W = ∆K ( 4)
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 99<br />
Así, el trabajo se puede considerar como un cambio en la energía cinética de un cuerpo,<br />
es decir, cuando se aplica una fuerza se produce una aceleración que provoca un<br />
cambio en la velocidad <strong>del</strong> cuerpo, de tal forma que el trabajo realizado en el cambio<br />
de velocidad es igual al cambio en la energía cinética <strong>del</strong> cuerpo. Esto se conoce con<br />
el nombre de teorema <strong>del</strong> trabajo y la energía.<br />
Teorema <strong>del</strong> trabajo y la energía: “El trabajo realizado por la fuerza<br />
resultante que actúa sobre un cuerpo es igual al cambio en la energía<br />
cinética <strong>del</strong> cuerpo”.<br />
El martillo en movimiento tiene energía<br />
cinética y puede hacer trabajo<br />
de la tabla.<br />
sobre el clavo, impulsándolo hacia<br />
<strong>La</strong> energía cinética adentro se puede definir la tabla. de la siguiente manera:<br />
■ Figura 3.2 El martillo en movimiento tiene energía cinética y puede hacer trabajo sobre el clavo, impulsándolo hacia adentro<br />
<strong>La</strong> energía cinética (K) es la energía que posee un cuerpo<br />
en virtud de su movimiento.<br />
Es decir, cuando un cuerpo se encuentra en movimiento tiene energía, la cual corresponde<br />
a la energía cinética de ese cuerpo.<br />
EJEMPLO 3.9<br />
K = 1 mv 2<br />
2<br />
Una locomotora de la serie 321, <strong>del</strong> fabricante ALCO, tiene<br />
una masa de 111 ton y puede alcanzar una velocidad máxima<br />
de 120 km/h. ¿Cuál es la energía cinética que adquiere la locomotora<br />
cuando alcanza esa velocidad?<br />
Solución<br />
a) Escribimos los datos proporcionados:<br />
m = 111 ton = 111 000 kg<br />
v = 120 km/h = 33.33 m/s<br />
K = ?
100 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
b) Aplicamos la fórmula de la energía cinética y sustituimos los datos:<br />
1<br />
K = mv<br />
2<br />
2<br />
1<br />
K = (111 000 kg)(33.33 m/s)<br />
2<br />
2<br />
K = 6.17 * 10 7 J<br />
c) Analizando el resultado observamos que la locomotora posee una energía cinética muy considerable<br />
de más de 60 millones de joule.<br />
EJEMPLO 3.10<br />
Un automóvil de 420 kg, arrancando desde el reposo, alcanza una<br />
rapidez de 24 m/s en 10 segundos.<br />
a) ¿Cuál es el cambio en su energía cinética?<br />
b) ¿Cuánto trabajo se realizó sobre él?<br />
Solución<br />
1. Igual que en los ejemplos anteriores, procedemos a escribir<br />
los datos:<br />
m = 420 kg<br />
v o<br />
= 0<br />
v = 24 m/s<br />
t = 10 s<br />
2. Procedemos a encontrar el cambio en la energía cinética <strong>del</strong> automóvil (inciso a) mediante la<br />
ecuación:<br />
≤K = K - K 0<br />
1<br />
≤K = m # v 2 -<br />
2<br />
1<br />
m # v 2 0<br />
2<br />
3. Ahora sustituimos los datos que tenemos:<br />
1<br />
≤K = (420 kg)(24 m/s) 2 -<br />
2<br />
≤K = 120 960 kg # m 2 /s 2<br />
≤K = 120 960 Joule<br />
1<br />
(420 kg)(0)<br />
2<br />
2<br />
4. Enseguida obtenemos el trabajo (inciso b) aplicando el teorema <strong>del</strong> trabajo y la energía:<br />
W = ¢K<br />
W = 120 960 Joule<br />
Interpretación de resultados:<br />
El teorema <strong>del</strong> trabajo y la energía establece que el trabajo realizado sobre un cuerpo es igual al cambio en<br />
su energía cinética, razón por la cual igualamos el resultado que obtuvimos en el inciso a.
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 101<br />
EJEMPLO 3.11<br />
Calcula la energía cinética que puede alcanzar una motocicleta<br />
Suzuki GSXR 1300 Hayabusa en conjunto con su piloto, si la motocicleta<br />
tiene una masa de 260 kg y el piloto una masa de 80 kg.<br />
<strong>La</strong> velocidad punta de esta máquina es de 330 km/h. Compara esta<br />
energía con la de la locomotora <strong>del</strong> ejemplo 3.9.<br />
Solución<br />
1. Los datos que tenemos son:<br />
m moto<br />
= 260 kg<br />
m piloto<br />
= 80 kg<br />
v = 330 km/h = 91.67 m/s<br />
K = ?<br />
2. De nuevo aplicamos la ecuación de la energía cinética, pero para el sistema motocicleta-piloto, es<br />
decir:<br />
m = 360 kg + 80 kg = 340 kg<br />
1<br />
K = (340 kg)(91.67 m/s)<br />
2<br />
2<br />
K = 1.43 * 10 6 J<br />
3. Para comparar las energías podemos calcular la relación:<br />
K locomotora<br />
/K moto<br />
K locomotora<br />
K motocicleta<br />
=<br />
6.17 * 10 7 J<br />
1.43 * 10 6 J<br />
K locomotora<br />
K motocicleta<br />
= 43.19<br />
Esto significa que la energía de la locomotora es 43.19 veces mayor que la de la motocicleta, a pesar<br />
de que sus masas son significativamente diferentes (326.47 veces mayor la masa de la locomotora que la de<br />
la motocicleta). Lo anterior, en virtud de que la motocicleta puede alcanzar una velocidad mayor que la<br />
locomotora.<br />
3.3.3 Energía potencial<br />
Frecuentemente, los objetos o las sustancias tienen energía que no se manifiesta,<br />
pues está oculta o almacenada en la estructura molecular de sus componentes, o<br />
bien, en determinadas condiciones de cada uno de ellos, como su posición. Ejemplos<br />
hay muchos: una manzana nos proporciona energía cuando la ingerimos y el<br />
organismo la digiere, desdoblando sus componentes y absorbiéndolos; el agua de<br />
una presa tiene energía que se libera cuando cae por la compuerta y puede mover los<br />
generadores de una planta hidroeléctrica; la gasolina también posee energía guardada,<br />
así como los demás combustibles (gas natural, carbón, diésel, etc.). Esta energía
102 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
se aprovecha cuando el combustible se quema y expande los gases de la combustión<br />
para mover los pistones <strong>del</strong> motor. Entonces decimos que todos estos materiales<br />
tienen el “potencial” para realizar un trabajo. A este tipo de energía suele llamársele<br />
energía potencial. En este apartado nos vamos a referir específicamente a la energía<br />
potencial gravitacional, es decir, a la energía que posee un cuerpo en virtud de su<br />
posición con respecto al campo gravitacional de la Tierra.<br />
Para ello efectuaremos el siguiente desarrollo. Supongamos que se desea levantar<br />
un objeto desde el nivel <strong>del</strong> suelo hasta una altura y. Es innegable que se requiere<br />
trabajo para llevar a cabo esta operación, ¿cierto? Recordando que el trabajo se obtiene<br />
mediante la ecuación (1):<br />
final<br />
y<br />
F=mg<br />
inicial<br />
w=mg<br />
W = F # cos # y<br />
Donde y es el desplazamiento y el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento es<br />
0°, además la fuerza necesaria para elevar el cuerpo es igual al peso <strong>del</strong> mismo y el<br />
desplazamiento es igual a: y = y final<br />
– y inicial<br />
.<br />
Por lo que la ecuación queda:<br />
W = w (y final<br />
- y inicial<br />
)<br />
W = m # g (y final<br />
- y inicial<br />
)<br />
Y separando términos en el miembro derecho de la expresión anterior, queda:<br />
W = m # g# y final<br />
= m # g # y inicial<br />
De nuevo nos encontramos con que el trabajo es igual a una diferencia entre dos<br />
magnitudes dimensionalmente iguales: m g y. Llamaremos a cada una de estas expresiones<br />
la “energía potencial gravitacional” (U) de ese cuerpo. Así que el trabajo<br />
realizado al levantar el objeto hasta la altura y es igual al cambio en la energía potencial<br />
de ese cuerpo:<br />
<strong>La</strong> energía potencial se define como:<br />
U = m # g# y<br />
y<br />
W = ¢U<br />
Energía potencial (U) es la energía que posee un cuerpo en virtud de su<br />
posición en un nivel de referencia con respecto al campo gravitacional.<br />
U = m · g · y
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 103<br />
EJEMPLO 3.12<br />
Un elevador de 250 kg que se encuentra en el segundo piso de un edificio recibe una carga de 560 kg y sube<br />
al décimo piso.<br />
a) ¿Cuál fue el cambio en su energía potencial?<br />
b) ¿Cuál es el trabajo realizado? (Suponer que la altura de cada piso es de 3 m)<br />
Solución<br />
1. Tenemos los siguientes datos:<br />
m elevador<br />
= 250 kg<br />
m carga<br />
= 560 kg<br />
m total<br />
= 250 kg + 560 kg = 810 kg<br />
y inicial = 2° piso = 2 * 3 m = 6 m<br />
y final = 10° piso = 10 * 3 m = 30 m<br />
2. Para calcular el cambio en la energía potencial (inciso a), calculamos las energías potenciales correspondientes<br />
a cada una de las posiciones inicial y final <strong>del</strong> elevador, aplicamos la fórmula de<br />
energía potencial para cada una de las alturas <strong>del</strong> elevador.<br />
U incial<br />
= m total<br />
# g # y inicial<br />
U incial<br />
= (810 kg)(9.8 m/s 2 )(6m)<br />
U incial<br />
= 47 628 J<br />
U final<br />
= m total<br />
# g # y final<br />
U final<br />
= (810 kg)(9.8 m/s 2 )(30m)<br />
U final<br />
= 238 140 J<br />
Y el cambio en la energía potencial es:<br />
¢U = U final<br />
- U inicial<br />
¢U = 238 140 J<br />
U - 47 628 J<br />
¢U = 190 512 J<br />
3. El trabajo realizado (inciso b) es igual al cambio en la energía potencial que sufrió el elevador, es<br />
decir:<br />
W = ¢U<br />
W = 190 512 J<br />
4. Analizando los resultados, vemos que, al ser el trabajo igual al cambio en la energía potencial, simplemente<br />
se iguala el resultado <strong>del</strong> inciso a, con lo que se busca en el inciso b.
104 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
3.3.4 Conservación de la energía mecánica<br />
Como se mencionó en el tema “Energía”, páginas atrás, la energía se transforma<br />
cuando se manifiesta. Hemos visto que la energía que posee un combustible (que es<br />
energía química almacenada) se transforma en calor cuando el combustible se quema.<br />
Así también podemos mencionar que la energía eléctrica se transforma a energía<br />
radiante en una bombilla, o bien, a energía mecánica en un ventilador. Sin embargo,<br />
cuando ocurre una transformación de este tipo, la energía difícilmente se transforma<br />
a un solo tipo de energía diferente. Normalmente un cierto tipo de energía se convierte<br />
a varios otros tipos. Regresando al caso de la bombilla, es fácil observar que<br />
la energía eléctrica que la hace funcionar se transforma no solo en energía radiante o<br />
lumínica, sino también en energía calorífica, la cual se disipa en el medio ambiente.<br />
Sin embargo, una de las realidades fundamentales de la naturaleza consiste en una<br />
de las leyes físicas que se ha demostrado en múltiples ocasiones, la cual establece<br />
que la cantidad de energía total antes y después de la transformación es la misma. Es<br />
posible que al inicio tengamos un solo tipo de energía y que después de la transformación<br />
obtengamos dos o más tipos diferentes, pero, de acuerdo con esta ley física,<br />
repitiendo, es la misma cantidad de energía antes y después de la transformación.<br />
Nos referimos a la ley de la conservación de la energía.<br />
<strong>La</strong> energía no se crea ni se destruye, solo puede cambiar de forma, pero la<br />
cantidad de energía total antes de la transformación, es exactamente igual a<br />
la cantidad de energía total después de la misma.<br />
En nuestro caso, estudiaremos el tema de conservación de la energía aplicado al<br />
caso de la energía mecánica. Primeramente, vamos a considerar el caso en el cual<br />
un objeto se encuentra en caída libre para deducir una expresión algebraica donde se<br />
visualice que la energía se transforma y además se conserva.<br />
Para los fines <strong>del</strong> presente curso, estableceremos que la suma de la energía potencial<br />
y la energía cinética es igual al inicio y al final <strong>del</strong> recorrido, por lo cual<br />
podemos concluir que la energía se conserva y llamaremos a esta suma la energía<br />
mecánica <strong>del</strong> cuerpo:<br />
Energía mecánica (E) es la suma de la energía potencial y de la energía<br />
cinética de un cuerpo en una posición determinada.<br />
E = U + K<br />
E incial<br />
= E final<br />
Notemos que en estas últimas expresiones lo que se conserva o lo que permanece<br />
invariante es la suma de las energías, ya que, al caer el cuerpo libremente, su energía<br />
potencial va disminuyendo, mientras que la energía cinética se va incrementando al<br />
aumentar la velocidad <strong>del</strong> objeto.<br />
■ Actividad 5<br />
En cada una de las siguientes figuras utiliza los datos que se te dan y completa con<br />
los valores que se te piden aplicando la ley de la conservación de la energía en sistemas<br />
conservativos.
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 105<br />
a) Un balón de basquetbol de 650 g que se encuentra en caída libre.<br />
m = 650g<br />
v 0<br />
= 0<br />
U = _____<br />
h = _____<br />
K = _____<br />
v = 4.5 m/s<br />
U = _____<br />
K = _____<br />
h = _____<br />
U = K = _____<br />
v = _____<br />
h = _____<br />
v = 32 m/s<br />
h = _____<br />
U = _____<br />
K = _____<br />
U =<br />
K =<br />
v = 39.2 m/s<br />
h = 0<br />
b) Una moneda de 10 pesos con una masa de 10.33 g que es lanzada en un<br />
“volado” en un partido de futbol, desde la altura <strong>del</strong> cuello <strong>del</strong> árbitro de 1.6 m,<br />
con una velocidad de 15 m/s hacia arriba.<br />
v 0<br />
= 0<br />
h = _____<br />
U = _____<br />
K = _____<br />
K = 0.091 J<br />
U = _____<br />
h = _____<br />
v = _____<br />
h = 2.1 m<br />
v = _____<br />
U = _____<br />
K = _____<br />
v = 4 m/s<br />
h = _____<br />
U = _____<br />
K = _____<br />
m = 10.33 g<br />
v 0<br />
= 5 m/s<br />
h = 1.6 m<br />
U = _____<br />
K = _____
106 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
PREGUNTAS Y EJERCICIOS DE REPASO DE LA ETAPA 3<br />
Contesta las siguientes preguntas y explica tus respuestas.<br />
1. <strong>La</strong>s carreteras de las montañas, no van directamente hacia la cima, sino que la van rodeando poco a<br />
poco. Explica por qué se hace de esta forma.<br />
2. Si no se hace trabajo al mantener a cierta altura un objeto pesado, ¿por qué es cansado hacerlo?<br />
3. ¿<strong>La</strong> energía cinética depende de la dirección <strong>del</strong> movimiento?<br />
4. ¿<strong>La</strong> energía cinética puede ser negativa?<br />
5. Un hombre que rema en un bote contra la corriente está en reposo con respecto a la orilla:<br />
a) ¿Está haciendo algún trabajo?<br />
b) Si deja de remar y se dejara llevar por la corriente, ¿se está haciendo algún trabajo sobre él?<br />
6. ¿<strong>La</strong> potencia desarrollada para levantar una caja hasta una plataforma depende de la rapidez con que<br />
se levante?
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 107<br />
7. Un albañil está parado sosteniendo un bloque. ¿Realiza algún tipo de trabajo?<br />
8. ¿Qué tipo de energía tiene el sistema Tierra-Luna?<br />
9. <strong>La</strong> Tierra se mueve más rápidamente en invierno que en verano. Explica lo anterior en términos de<br />
energía potencial y cinética en función de la Tierra.<br />
Autoevaluación<br />
Responde subrayando en cada caso la opción correcta.<br />
Trabajo<br />
1. Es el producto de la fuerza para la distancia a lo largo de la cual actúa la fuerza:<br />
a) Potencia<br />
b) Energía cinética<br />
c) Trabajo<br />
d) Energía potencial<br />
2. Son unidades con las que se mide el trabajo en el SI.<br />
a) dina # cm<br />
b) kg # m<br />
c) N # m<br />
d) N # m 2<br />
3. <strong>La</strong> expresión matemática <strong>del</strong> trabajo es:<br />
a) mg<br />
b) F # cos # x<br />
c) ½ m # v 2<br />
d) Wt<br />
4. De los siguientes enunciados, el correcto es:<br />
a) Se realiza trabajo si una persona empuja una pared de su casa con mucha fuerza y durante cierto tiempo.<br />
b) Se realiza trabajo si una persona en reposo sostiene con sus manos un objeto pesado durante cierto tiempo.<br />
c) Se realiza trabajo si una persona empuja una carriola para bebé y la mueve cierta distancia sobre el suelo.<br />
d) Se realiza trabajo si una persona, sosteniendo en sus manos un objeto, camina a velocidad constante<br />
por una superficie horizontal.
108 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
5. Tres personas compiten subiendo cada una un objeto (que pesa lo mismo para todas) hasta la misma<br />
altura por una rampa inclinada. Si A lo hace en 20 segundos, B en 26 y C en 18, la que realizó la mayor<br />
cantidad de trabajo fue:<br />
a) B<br />
b) C<br />
c) A<br />
d) Todas realizaron el mismo trabajo.<br />
Potencia<br />
6. Al trabajo realizado en la unidad de tiempo, o a la rapidez con que se realiza el trabajo, se le conoce<br />
como:<br />
a) Energía potencial<br />
b) Energía cinética<br />
c) Energía mecánica<br />
d) Potencia<br />
7. A la unidad J/s se le denomina:<br />
a) watt<br />
b) erg<br />
c) newton<br />
d) dina<br />
8. ¿Cuál es la unidad de potencia en el Sistema Internacional?<br />
a) joule<br />
b) erg<br />
c) watt<br />
d) c.v<br />
9. <strong>La</strong> máquina A levanta un peso de 2 000 N hasta una altura de 2 m en 30 segundos; la máquina B hace<br />
lo mismo que A, pero en 20 segundos. En función de lo anterior se puede decir que:<br />
a) A realiza más trabajo que B.<br />
b) B realiza más trabajo que A.<br />
c) A desarrolla más potencia que B.<br />
d) B desarrolla más potencia que A.<br />
10. <strong>La</strong> potencia desarrollada por una persona cuando arrastra un bulto de cemento por el suelo depende:<br />
a) Solo de la magnitud de la fuerza aplicada por la persona.<br />
b) Solo de la magnitud de la distancia recorrida por el bulto.<br />
c) Solo <strong>del</strong> tiempo empleado en el proceso.<br />
d) De lo manifestado en a, b y c.<br />
Energía<br />
11. Es la capacidad de un cuerpo o sistema para realizar trabajo:<br />
a) Trabajo<br />
b) Energía<br />
c) Potencia<br />
d) Impulso
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 109<br />
12. Un objeto puede poseer:<br />
a) Fuerza<br />
b) Trabajo<br />
c) Potencia<br />
d) Energía<br />
13. <strong>La</strong> energía se mide con las mismas unidades en las que se mide:<br />
a) la potencia<br />
b) la velocidad<br />
c) la aceleración<br />
d) el trabajo<br />
14. <strong>La</strong> unidad para medir la energía en el SI es:<br />
a) kg # m 3 /s 3<br />
b) kg # m/s 2<br />
c) g # cm 2 /s 2<br />
d) kg # m 2 /s 2<br />
15. A la unidad tratada en la pregunta anterior se le denomina:<br />
a) watt<br />
b) newton<br />
c) erg<br />
d) joule<br />
Energía cinética<br />
16. Es la energía de movimiento:<br />
a) Potencial<br />
b) Estática<br />
c) Cinética<br />
d) Química<br />
17. Es la expresión matemática de la energía cinética:<br />
a) mg y<br />
b) wy<br />
c) ½ m v 2<br />
d) Wt<br />
18. <strong>La</strong> energía cinética es una cantidad física:<br />
a) Fundamental<br />
b) Escalar<br />
c) Adimensional<br />
d) Vectorial<br />
19. <strong>La</strong> energía cinética de un cuerpo está relacionada con su:<br />
a) Posición<br />
b) Carga eléctrica<br />
c) Temperatura<br />
d) <strong>Movimiento</strong>
110 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
20. Una persona tendría mayor energía cinética al estar:<br />
a) empujando una pared.<br />
b) caminando por una calle.<br />
c) flotando en una alberca.<br />
d) corriendo por una calle.<br />
Energía potencial<br />
21. A la energía que posee un cuerpo debido a su posición con respecto a otros cuerpos se le llama:<br />
a) Cinética<br />
b) Calorífica<br />
c) Potencial gravitacional<br />
d) Química<br />
22. Es la expresión matemática de la energía potencial gravitacional:<br />
a) mg<br />
b) ½ mv 2<br />
c) mg cos<br />
d) w y<br />
23. <strong>La</strong> energía potencial es una cantidad física:<br />
a) Fundamental<br />
b) Escalar<br />
c) Unidimensional<br />
d) Vectorial<br />
24. <strong>La</strong> energía potencial gravitacional de un cuerpo está relacionada con su:<br />
a) <strong>Movimiento</strong><br />
b) Carga eléctrica<br />
c) Temperatura<br />
d) Posición<br />
25. Con respecto al nivel de la calle, una persona que estuviera en su casa tendría mayor energía potencial<br />
gravitacional al estar:<br />
a) moviéndose en la sala a razón de 1.2 m/s.<br />
b) moviéndose en el segundo piso a razón de 1.0 m/s.<br />
c) en reposo, en el segundo piso.<br />
d) en reposo, en la azotea.<br />
Problemas<br />
Considerando los datos que se te proporcionan resuelve los siguientes problemas.<br />
Trabajo y potencia<br />
1. Una fuerza de 3 N actúa horizontalmente sobre un cuerpo a lo largo de una distancia de 12 m en dirección<br />
y sentido de la fuerza durante 10 segundos. Determina el trabajo realizado sobre el cuerpo y la<br />
potencia desarrollada.<br />
2. Un objeto de 4 kg se eleva a una altura de 1.5 m en un tiempo de 5 segundos a velocidad constante.<br />
a) ¿Cuál es el trabajo realizado sobre el objeto?<br />
b) ¿Cuál es la potencia desarrollada?
Etapa 3 Gravitación, trabajo, potencia y energía 111<br />
3. Una fuerza de 75 N actúa sobre un cuerpo mediante una cuerda que forma un ángulo de 28° con la<br />
horizontal y lo desplaza horizontalmente 8 m. ¿Cuánto trabajo desarrolla la fuerza al tirar <strong>del</strong> objeto?<br />
4. Un elevador de 720 kg lleva dentro a 6 personas de 70 kg cada una y sube hasta el décimo piso que<br />
se encuentra a una altura de 30 m con respecto al suelo. Si el elevador tardó 1.5 minutos en realizar el<br />
ascenso, ¿cuál es la potencia desarrollada por el mismo?<br />
Energía y conservación<br />
5. Calcular la energía cinética de un coyote de 30 kg que corre tras su presa con una velocidad de 65<br />
km/h.<br />
6. Un autobús de 8 500 kg avanza de tal forma que su energía cinética es de 1.7 * 10 6 J. ¿Cuál es su velocidad?<br />
7. Un automóvil de 1 200 kg que se mueve en una vía recta con una velocidad de 12 m/s, acelera hasta<br />
alcanzar una velocidad de 24 m/s.<br />
a) ¿Cuál es la energía cinética <strong>del</strong> automóvil antes de acelerar?<br />
b) ¿Cuál es la energía cinética <strong>del</strong> automóvil al llegar a la velocidad final?<br />
c) ¿Cuál es el trabajo realizado durante el cambio de velocidad?<br />
8. El aeroplano Airbus A380 es el avión comercial más grande <strong>del</strong> mundo, con una masa de 421 toneladas.<br />
¿Cuál es la energía potencial de esta nave cuando se encuentra en pleno vuelo a una altura de<br />
12 000 m?<br />
9. Una roca de 32 kg se encuentra en caída libre y cuando le faltan 18 m para llegar al piso su velocidad<br />
es de 49 m/s.<br />
a) ¿Desde qué altura cayó?<br />
b) ¿Con qué velocidad llegará al piso?<br />
10. Un árbitro lanza una moneda de 38 g verticalmente hacia arriba con una rapidez de 1.5 m/s.<br />
a) ¿Cuál es la altura máxima que alcanzará la moneda?<br />
b) ¿Cuál es su energía mecánica al llegar a la altura máxima?<br />
11. En esta figura, considera que la masa de los vagones, junto con las personas a bordo, es de 250 kg y la<br />
altura en el punto A es de 20 m. Si en ese punto el vagón parte <strong>del</strong> reposo.<br />
a) ¿Cuál es la velocidad en el punto B si la altura en ese lugar es de 8 m?<br />
b) ¿Cuál es la altura en el punto C si la velocidad <strong>del</strong> vagón es de 12.52 m/s?<br />
c) ¿Cuál es la energía mecánica en D?<br />
d) Finalmente, ¿con qué velocidad llegará el vagón al punto E?
ETAPA<br />
4<br />
LAS MÁQUINAS, UNA<br />
APLICACIÓN DE LOS<br />
PRINCIPIOS Y LEYES DEL<br />
MOVIMIENTO
CONTENIDO<br />
4.1 Máquinas simples: palanca, plano inclinado,<br />
polea, torno<br />
4.2 <strong>La</strong> palanca<br />
4.3 El plano inclinado<br />
4.4 El torno<br />
4.5 <strong>La</strong> polea<br />
4.6 Máquinas compuestas: polipasto, sistema de<br />
engranes<br />
Introducción<br />
El uso de las máquinas simples se puede remontar a épocas<br />
muy antiguas. Sin embargo, fue Arquímedes de Siracusa<br />
(287–212 a.C.) un astrónomo, filósofo y matemático griego,<br />
quien hizo importantes aportaciones al campo de la Física,<br />
tales como el estudio y aplicación de la palanca. Realizó<br />
grandes inventos, como la rueda dentada y un sistema de<br />
poleas compuestas, entre muchas otras aportaciones que<br />
seguimos usando hasta el día de hoy.<br />
Como dato interesante, se considera que en la construcción<br />
de la gran pirámide de Keops, en Egipto, se utilizaron algunas<br />
de estas máquinas simples para crear una de las Siete<br />
Maravillas <strong>del</strong> mundo que conservamos hasta nuestros días.
114 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
4.1 Máquinas simples: palanca, plano inclinado, polea, torno<br />
4.1.1 Conceptos básicos sobre máquinas simples<br />
Una máquina puede definirse como un dispositivo que transforma una fuerza de entrada<br />
en una fuerza de salida, que por lo regular es de mayor magnitud y de dirección<br />
contraria, cuyo objetivo fundamental es facilitar el trabajo <strong>del</strong> hombre.<br />
Fuerza de<br />
Entrada<br />
Máquina<br />
Fuerza de<br />
Salida<br />
Una máquina simple consta, como su nombre lo indica, de elementos básicos: la<br />
fuerza de entrada (que la puede proporcionar el hombre mismo usando sus músculos),<br />
el aparato o dispositivo que consta de un solo elemento y la fuerza de salida,<br />
que usualmente produce el movimiento de un cuerpo pesado o voluminoso que sería<br />
más difícil moverlo de forma manual, es decir, sin ayuda de la máquina.<br />
Polea<br />
Plano inclinado<br />
Palanca<br />
etcétera.<br />
<strong>Movimiento</strong>
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 115<br />
Al igual que en la Antigüedad, muchos de los aparatos que usamos en la actualidad<br />
se basan en algunas de estas máquinas simples, la mayoría utilizan sistemas de<br />
dos o más máquinas simples, por lo que se les conoce como máquinas compuestas<br />
(figura 4.1).<br />
P<br />
P
116 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Una palanca no es otra cosa que una barra rígida girando sobre un punto de apoyo,<br />
también llamado fulcro. Quizás el más conocido para ti en este momento es el<br />
balancín o sube y baja, que seguramente jugaste en la infancia.<br />
En una palanca se reconocen los siguientes elementos básicos:<br />
Fuerza de<br />
potencia<br />
Fuerza de<br />
resistencia<br />
<strong>La</strong> fuerza de entrada<br />
aplicada para levantar<br />
un objeto. Esta fuerza se<br />
llama Fuerza de Potencia<br />
Fulcro<br />
Es el apoyo de<br />
la palanca<br />
<strong>La</strong> fuerza de salida,<br />
que es el peso(w) <strong>del</strong> objeto<br />
a mover . Esta es llamada<br />
Resistencia<br />
■ Figura 4.2 Elementos que componen la palanca.<br />
En una palanca se le llama brazo de potencia a la distancia que existe entre el punto<br />
de apoyo, o fulcro, y el punto donde se aplica la fuerza de potencia, y se le llama<br />
brazo de resistencia a la distancia que existe entre el fulcro y el punto donde se<br />
coloca la carga a mover, es decir, la fuerza de resistencia.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 117<br />
En relación con estos elementos, las palancas se clasifican en:<br />
4.2.1 Palanca de primer género<br />
Se caracteriza porque el fulcro se encuentra colocado entre la fuerza de potencia y<br />
la fuerza de resistencia.<br />
P<br />
F<br />
R<br />
BP>BR<br />
BP<br />
BR<br />
P
118 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Sin embargo, para fines más prácticos, se utilizan las distancias conocidas como<br />
brazo de potencia y de resistencia, que se definieron anteriormente, ya que la conservación<br />
de la energía se verifica en cualquier caso.<br />
Dicho lo anterior, la expresión matemática más utilizada para la resolución de<br />
ejercicios de palancas de cualquier género es la siguiente:<br />
P<br />
BP<br />
BR<br />
R<br />
Fuerza de potencia * brazo de potencia = Fuerza de resistencia * brazo de resistencia<br />
FF PP BB PP = FF RR BB RR<br />
Además, en una palanca (en general, en cualquier máquina simple) podemos definir<br />
lo que se llama ventaja mecánica (V M<br />
). Esta nos da una idea de qué tan conveniente<br />
resulta utilizar una máquina. Si la ventaja mecánica es mayor que la unidad, entonces<br />
sí es conveniente usarla, de lo contrario, cuando la ventaja mecánica es menor<br />
que la unidad, no resulta conveniente desde el punto de vista de la aplicación de<br />
fuerzas, pero puede ser que, en algunos casos, se requiera aumentar la velocidad o el<br />
desplazamiento de la carga y es cuando resultaría útil dicha máquina.<br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica ideal se define como la relación que existe entre el brazo de<br />
potencia y el brazo de resistencia:<br />
VV MMMM = BB PP<br />
BB RR<br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica real se define como la relación existente entre la fuerza de<br />
resistencia y la fuerza de potencia:<br />
VV MMMM = FF RR<br />
FF PP<br />
Y la eficiencia de la máquina se obtienen como un porcentaje:<br />
= · 100<br />
4.2.2 Palanca de segundo género<br />
En este tipo de palanca, la fuerza a vencer (resistencia) se encuentra entre el fulcro y<br />
la fuerza de entrada (potencia).<br />
F<br />
R<br />
P<br />
BR<br />
BP<br />
BP>BR<br />
P
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 119<br />
En este tipo de arreglo, como se puede observar, el brazo de potencia siempre será<br />
mayor que el brazo de resistencia. Esto genera que los movimientos, tanto de la<br />
potencia como el de la resistencia, sean en el mismo sentido. <strong>La</strong> usamos cuando<br />
queremos vencer grandes resistencias con poca potencia. Algunos ejemplos son la<br />
carretilla y el cascanueces.<br />
P<br />
BP<br />
BP>BR<br />
BR<br />
P<br />
P
120 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
EJEMPLO 4.1<br />
Mariana quiere mover una roca de 200 N con una palanca y se coloca a 1.8 m <strong>del</strong> fulcro, la distancia de la<br />
roca al fulcro es de 25 cm. ¿Cuál es la fuerza que debe aplicar Mariana en el extremo para moverla?<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos hacer? Encontrar la fuerza que aplicará Mariana en el extremo de la palanca, es<br />
decir, la fuerza de potencia (F P<br />
).<br />
b) ¿Cómo lo vamos a hacer? Identificando los datos proporcionados, se requiere primeramente hacer<br />
una conversión de unidades de cm a m. Además, un diagrama de la palanca para apoyarse y sustituir<br />
los datos en la ecuación y luego encontrar la fuerza de potencia requerida para mover la piedra.<br />
c) Datos con los que contamos:<br />
F R<br />
5 200 N<br />
B R<br />
5 25 cm 5 0.25 cm<br />
B P<br />
5 1.8 m<br />
B P<br />
B R<br />
F P<br />
F R<br />
Incógnita:<br />
F P<br />
5 ?<br />
Aplicamos la fórmula de las máquinas simples:<br />
Despejamos la incógnita F P<br />
:<br />
F P<br />
# B P<br />
5 F R<br />
# B R<br />
Sustituimos los datos:<br />
F p<br />
5 F R B R<br />
BP<br />
(200 N)(0.25 m)<br />
F p<br />
5<br />
1.8 m<br />
El resultado es:<br />
F P<br />
5 27.78 N<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Mariana debe aplicar una fuerza de 27.78 N al extremo de la palanca para mover la roca de 200 N.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 121<br />
EJEMPLO 4.2<br />
Calcula la eficiencia de una palanca que levanta una roca de 80 N si esta se ubica a 30 cm <strong>del</strong> fulcro, en el<br />
otro extremo se aplica una fuerza de 20 N a una distancia de 140 cm <strong>del</strong> fulcro.<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos hacer? Encontrar el rendimiento o eficiencia de dicha palanca (R).<br />
b) ¿Cómo lo vamos a hacer?Considerando que para encontrar el rendimiento se requiere conocer tanto<br />
la ventaja mecánica real como la ventaja mecánica ideal. El procedimiento será primero obtener<br />
esos datos para luego encontrar la eficiencia expresado en porcentaje. Se tomará el criterio de que<br />
la fuerza de salida es la fuerza de resistencia y la fuerza de entrada es la fuerza de potencia; para las<br />
distancias también se tomará en cuenta el mismo criterio.<br />
c) Datos con los que contamos:<br />
F R<br />
5 80 N<br />
B R<br />
5 30 cm<br />
F P<br />
5 20 N<br />
B P<br />
5 140 cm<br />
Incógnita:<br />
e 5 ?<br />
Se obtiene primero V MR<br />
:<br />
VV MMMM = FF RR<br />
FF PP<br />
VV MMMM = 80 N<br />
20 N<br />
VV MMMM = 4<br />
Luego obtenemos V MI<br />
:<br />
VV MMMM = BB PP<br />
BB RR<br />
VV MMMM =<br />
140 cm<br />
30 cm<br />
VV MMMM = 4.66
122 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Por último, encontramos la eficiencia o rendimiento:<br />
= # 100<br />
= 4<br />
4.66 # 100<br />
= 85.83%<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
El rendimiento de esta palanca nos indica que no toda la fuerza de potencia se utiliza en mover la roca, puede<br />
ser que parte de la fuerza se pierda por fricción u otros factores.<br />
4.3 El plano inclinado<br />
El plano inclinado es una máquina simple, en la cual una superficie plana crea un<br />
ángulo agudo con la horizontal, es decir, el suelo, formando de este modo una elevación<br />
que permite alzar o bajar objetos.<br />
<strong>La</strong> funcionalidad <strong>del</strong> plano inclinado radica en que es más fácil subir o bajar<br />
objetos a través <strong>del</strong> plano que si se levantaran verticalmente.<br />
En un plano inclinado el trabajo efectivo o útil es el que se realiza cuando levantamos<br />
la carga verticalmente, y el trabajo real es el que se realiza al utilizar la rampa<br />
o la superficie inclinada, es decir:<br />
Trabajo efectivo o útil 5 F R<br />
# h<br />
Trabajo real 5 F P<br />
# L<br />
En condiciones ideales, estos trabajos deben ser iguales de acuerdo con el principio<br />
de conservación de la energía, entonces:<br />
F P<br />
# L 5 F R<br />
# h<br />
Sin embargo, en condiciones reales, al deslizar la carga a través <strong>del</strong> plano inclinado,<br />
siempre actúa la fuerza de fricción, por lo cual la eficiencia real no será de 100%.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 123<br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica ideal estará dada por la relación entre su longitud y su<br />
altura.<br />
VV MMMM =<br />
LL (longitud de la pendiente)<br />
h (altura <strong>del</strong> plano)<br />
Esto nos da una idea de que cuanto más larga sea la longitud <strong>del</strong> plano y menor su<br />
altura, más fácil será mover un objeto a través de él.<br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica real estará dada por la relación entre la fuerza de resistencia<br />
(peso de la carga) y la fuerza de potencia (la fuerza necesaria para empujar la carga<br />
por el plano inclinado).<br />
VV MMMM =<br />
FF RR (peso de la carga)<br />
FF PP (ffuerza aplicada para subir la carga)<br />
En la figura 4.10 se ilustra el uso <strong>del</strong> plano inclinado como máquina simple. Disminuye<br />
el esfuerzo de subir de forma vertical a costa de recorrer una mayor longitud.<br />
Rampa<br />
■ Figura 4.10 Ejemplo de plano inclinado.<br />
Cabe mencionar que la cuña y el tornillo son máquinas simples derivadas <strong>del</strong> plano<br />
inclinado.<br />
Hacha - cuña<br />
(Plano inclinado)<br />
Hacha-cuña<br />
Tornillo<br />
EJEMPLO 4.3<br />
Una caja que pesa 480 N es empujada sobre un plano inclinado de 5 m de largo y 1 m de altura, con una<br />
fuerza de 120 N. Calcula el rendimiento <strong>del</strong> plano inclinado.<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos hacer? Calcular la eficiencia <strong>del</strong> plano inclinado (e).<br />
b) ¿Cómo lo vamos a hacer? Identificando los datos proporcionados para obtener primeramente la<br />
ventaja mecánica real y luego la ventaja mecánica ideal.
124 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
c) Datos con los que contamos:<br />
F R<br />
5 480 N<br />
h 5 1 m<br />
F P<br />
5 120 N<br />
L 5 5 m<br />
Incógnita:<br />
e = ?<br />
Se obtiene primero la ventaja mecánica real (V MR<br />
):<br />
VV MMMM = FF RR<br />
FF PP<br />
VV MMMM = 480 N<br />
120 N<br />
VV MMMM = 4<br />
Luego obtenemos la ventaja mecánica ideal (V MI<br />
):<br />
VV MMMM = LL h<br />
VV MMMM = 5 m<br />
1 m<br />
VV MMMM = 5<br />
Por último, encontramos el rendimiento o la eficiencia:<br />
= # 100<br />
= 4 5 # 100<br />
= 80%<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
En este caso, el plano inclinado presenta una ventaja mecánica mayor que 1 y es conveniente su uso, sin<br />
embargo, no se aprovecha toda la fuerza de potencia para realizar el trabajo, solamente 80% de la misma.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 125<br />
4.4 El torno<br />
El torno es una máquina simple que consiste en un cilindro o tambor al que se le<br />
enrolla una cuerda y que gira alrededor de un eje insertado, que está unido a una manivela<br />
cuyo brazo es más largo que el diámetro <strong>del</strong> cilindro, lo que permite levantar<br />
cargas pesadas con un menor esfuerzo. El torno, utilizado en la actualidad, también<br />
se conoce como malacate o cabestrante.<br />
P<br />
R<br />
r<br />
F<br />
■ Figura 4.11 Ejemplos de torno.<br />
En muchos sentidos, el torno es similar a una palanca de primer género, puesto que<br />
cuenta con un punto de apoyo (el eje <strong>del</strong> torno), un brazo de potencia (longitud de<br />
la manivela) y un brazo de resistencia (radio <strong>del</strong> torno) además de las fuerzas de<br />
potencia y de resistencia, con la ventaja de que en el torno, el movimiento puede ser<br />
continuo, dado que la manivela puede girar alrededor <strong>del</strong> eje.<br />
En este caso, la expresión algebráica para el torno quedaría de la siguiente forma:<br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica ideal es:<br />
F P<br />
# R 5 F R<br />
# r<br />
VV MMMM =<br />
RR (longitud de la manivela)<br />
rr (radio <strong>del</strong> tambor)<br />
Y la ventaja mecánica real será:<br />
VV MMMM = FF RR (fuerza de resistencia)<br />
FF PP (fuerza de potencia)<br />
EJEMPLO 4.4<br />
Un torno, cuyo tambor tiene un radio de 5 cm y una manivela de 30 cm, levanta una carga de 90 N utilizando<br />
una fuerza de 20 N en su manivela. Determina la eficiencia de este torno en estas condiciones.<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos calcular? <strong>La</strong> eficiencia <strong>del</strong> torno.<br />
b) ¿Cómo lo vamos a hacer? Identificando los datos proporcionados y obteniendo primeramente la<br />
ventaja mecánica real y la ventaja mecánica ideal.
126 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
c) Datos con los que contamos:<br />
r 5 5 cm<br />
R 5 30 cm<br />
F R<br />
5 90 N<br />
F P<br />
5 20 N<br />
Calculamos la ventaja mecánica real:<br />
VV MMMM = FF RR<br />
FF PP<br />
VV MMMM = 90 N<br />
20 N<br />
VV MMMM = 4.5<br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica ideal es:<br />
VV MMMM = RR rr<br />
VV MMMM =<br />
30 cm<br />
5 cm<br />
VV MMMM = 6<br />
Por lo tanto, la eficiencia es:<br />
= # 100<br />
= 4.5<br />
6 # 100<br />
= 75%<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Dado que la eficiencia es de 75%, significa que de cada 100 N de fuerza aplicados a la manivela, solamente<br />
se aprovechan 75 para realizar un trabajo útil.<br />
4.5 <strong>La</strong> polea<br />
No se sabe a ciencia cierta quién inventó la polea, sin embargo, se le atribuye al gran<br />
filósofo griego Arquímedes, quien, citado por Plutarco en sus obras Vidas paralelas,<br />
afirma que Arquímides fue capaz de mover un gran barco usando un sistema de poleas<br />
compuestas. Una polea es un sistema formado por una rueda acanalada y una
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 127<br />
cuerda que se mueve libremente por este canal. <strong>La</strong> polea gira libremente alrededor<br />
de un eje fijo sujeto a un soporte. Se usan principalmente para tracción o elevación de<br />
objetos pesados.<br />
■ Figura 4.12 Ejemplos de poleas.<br />
4.5.1 Polea fija<br />
100 N<br />
300 N<br />
100 N<br />
300 N<br />
Es el tipo de polea más simple, consta de una sola polea fija en un punto determinado<br />
a través de su eje. Se usa para levantar objetos de una manera más cómoda, ejerciendo<br />
una fuerza en sentido contrario al movimiento <strong>del</strong> objeto que se desea levantar.<br />
Por ejemplo un elevador. En este tipo de polea se dice que la ventaja mecánica es 1,<br />
puesto que la fuerza ejercida o fuerza de potencia (F P<br />
) aplicada sobre la cuerda debe<br />
ser igual al peso <strong>del</strong> cuerpo, llamada también fuerza de resistencia (F R<br />
) que se desea<br />
levantar, si no tomamos en cuenta la fricción entre la cuerda y la polea. En este tipo<br />
de polea, igualmente, la distancia recorrida por el objeto a levantar es la misma que<br />
la recorrida por la cuerda al aplicar la tensión necesaria para levantar dicho objeto.<br />
Esto es:<br />
F P<br />
= F R<br />
Sin embargo, en una polea de este tipo, podemos decir que su punto de apoyo es el<br />
centro de la misma, entonces se toma como brazo de potencia la distancia desde el<br />
centro de la polea hasta el punto donde se aplica la fuerza de potencia, que en este
128 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
caso es la orilla de la polea, es decir, dicha distancia es el radio de la polea. Mientras<br />
que el brazo de resistencia será la distancia desde el centro de la polea hasta el punto<br />
donde se aplica la fuerza de resistencia que, lógicamente, es también la orilla opuesta<br />
de la polea, o sea, que además es el radio de la polea. Por esa razón su ventaja mecánica<br />
ideal es igual a 1. Observa la figura 4.13.<br />
<strong>Movimiento</strong><br />
de la cuerda<br />
R<br />
r<br />
Giro de la polea<br />
y <strong>del</strong> eje<br />
Fuerza de<br />
Potencia (F p<br />
)<br />
Fuerza de<br />
Resistencia (F r<br />
)<br />
V MI<br />
5 R 5<br />
r<br />
V MI<br />
5 1<br />
r<br />
r<br />
■ Figura 4.13 Relación de fuerzas en la polea.<br />
Esto significa que, en una polea fija, tendríamos que aplicar una fuerza igual al peso<br />
<strong>del</strong> cuerpo que deseamos levantar, es decir, si queremos levantar un cuerpo cuyo<br />
peso sea de 100 N, debemos aplicar a la cuerda, en el otro extremo, una fuerza de<br />
100 N.<br />
Quizás se pueda pensar que esto no representa ninguna ayuda o beneficio para el<br />
trabajador, sin embargo, este dispositivo se utiliza mucho, dado que permite cambiar<br />
la dirección de la fuerza aplicada, y eso ya es una gran ventaja.<br />
4.5.2 Polea móvil<br />
En el caso de la polea móvil, uno de los extremos de la cuerda se ata a un punto fijo<br />
y la carga que se desea levantar se une a la polea a través <strong>del</strong> gancho, mientras que el<br />
otro extremo de la cuerda es en donde se aplica la fuerza de potencia para levantarlo<br />
desde una parte superior, tal como se muestra en la figura 4.14.<br />
Extremo<br />
móvil<br />
Extremo<br />
fijo<br />
Cuerda<br />
Polea<br />
de gancho<br />
■ Figura 4.14 Funcionamiento de una polea móvil.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 129<br />
Analizando este sistema, se tomará como punto de apoyo el extremo fijo de la cuerda<br />
y la línea vertical que forma, la fuerza de resistencia será el peso de la carga<br />
a levantar, y la fuerza de potencia es la que se aplicará en el extremo móvil de la<br />
cuerda. Desde este punto de vista, el brazo de resistencia, es decir, la distancia desde<br />
el punto de apoyo hasta donde se aplica la fuerza de resistencia será el radio de la<br />
polea. Mientras que el brazo de potencia, la distancia desde el punto de apoyo hasta<br />
donde se aplica la fuerza de potencia, será el doble <strong>del</strong> radio, es decir, el diámetro de<br />
la polea. Por lo tanto, la ventaja mecánica ideal de este sistema será:<br />
VV MMMM = DD rr = 2rr<br />
rr<br />
VV MMMM = 2<br />
Esto significa que, en condiciones ideales (despreciando la fuerza de fricción en el<br />
eje de la polea o la de la cuerda con el canal de esta), uno puede levantar un cuerpo<br />
utilizando una fuerza igual a la mitad de su peso. Por ejemplo, si deseamos levantar<br />
un cuerpo cuyo peso sea de 100 N, deberíamos aplicar una fuerza de 50 N en el extremo<br />
móvil de la polea, facilitándonos la tarea de levantar dicho cuerpo.<br />
EJEMPLO 4.5<br />
Se utiliza una polea móvil cuyo diámetro es de 12 cm para elevar una carga de 240 N. Un trabajador aplica<br />
en el extremo móvil de la cuerda, una fuerza de 130 N para levantar la carga. ¿Cuál es la eficiencia de la<br />
polea?<br />
Solución<br />
a) ¿Qué queremos calcular? <strong>La</strong> eficiencia de la polea móvil.<br />
b) ¿Cómo lo vamos a hacer? Identificando los datos proporcionados y obteniendo primeramente la<br />
ventaja mecánica real y la ventaja mecánica ideal.<br />
c) Datos con los que contamos:<br />
D 5 12 cm<br />
r 5 6 cm<br />
F R<br />
5 240 N<br />
F P<br />
5 130 N<br />
Calculamos la ventaja mecánica real:<br />
VV MMMM = FF RR<br />
FF PP<br />
VV MMMM = 240 N<br />
130 N<br />
VV MMMM = 1.85
130 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
<strong>La</strong> ventaja mecánica ideal en una polea móvil es:<br />
VV MMMM = DD rr<br />
VV MMMM =<br />
12 cm<br />
6 cm<br />
VV MMMM = 2<br />
Por lo tanto, la eficiencia es:<br />
= # 100<br />
= 1.85<br />
2<br />
# 100<br />
= 92.5%<br />
Interpretación <strong>del</strong> resultado:<br />
Dado que la eficiencia de la polea en este problema no es igual a 100%, la fuerza de potencia que se tiene<br />
que aplicar es un poco mayor que la mitad <strong>del</strong> peso <strong>del</strong> cuerpo, lo que puede deberse a mala lubricación de<br />
la misma o la falta de mantenimiento.<br />
4.6 Máquinas compuestas: polipasto, sistema de engranes<br />
<strong>La</strong>s máquinas simples han ido evolucionando a través <strong>del</strong> tiempo, pues se han utilizado<br />
para realizar tareas cada vez más complejas, de tal forma que el ingenio <strong>del</strong> hombre<br />
ha ideado sistemas mecánicos que resultan de la combinación de dos o más máquinas<br />
simples, conocidas como máquinas compuestas. Como ejemplos de ellas tenemos la<br />
combinación <strong>del</strong> principio <strong>del</strong> torno con el de las poleas y las ruedas en una bicicleta;<br />
también el conocido como polipasto, garrucha o aparejo, que es una combinación de<br />
poleas. Estos ejemplos de máquinas compuestas son de los más sencillos, sin embargo,<br />
el ser humano, en su afán de buscar el desarrollo tecnológico para aumentar el<br />
confort y la calidad de vida, sobre todo en las grandes ciudades, ha desarrollado un<br />
sinnúmero de dispositivos, artefactos y aparatos de todo tipo que resultan de las máquinas<br />
simples. Pensemos en los medios de transporte. Hoy existen medios de transporte<br />
individual, familiar o masivo de personas, tanto terrestres como marítimos y aéreos.<br />
En el hogar contamos con aparatos electrodomésticos, como lavadoras, aspiradoras,<br />
ventiladores, entre otros. En los grandes edificios hay escaleras eléctricas o elevadores,<br />
por mencionar algunos. Todos los podemos considerar máquinas compuestas.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 131<br />
Para sintetizar lo que es una máquina compuesta podemos decir que en cada una<br />
de ellas existen dos tipos de componentes:<br />
• Componentes mecánicos. Son los que van conectados entre sí para transformar<br />
la energía suministrada en energía mecánica. Entre los más destacados<br />
tenemos: las ruedas, los engranes, los ejes, las bandas, etcétera.<br />
• Componentes energéticos. Son los que suministran la energía para que la<br />
máquina opere. Entre ellos se encuentran: las pilas, las baterías, los muelles<br />
o cuerdas, las fotoceldas, etcétera. El mismo cuerpo humano puede considerarse<br />
como uno de estos componentes por el trabajo que puede desarrollar<br />
con sus brazos o sus piernas.<br />
Ya depende <strong>del</strong> uso que se le quiera dar, el ingenio y la creatividad <strong>del</strong> diseñador, el<br />
saber cómo combinar todos estos componentes para crear una máquina o dispositivo<br />
que se ajuste a sus necesidades.<br />
Sistema de poleas: transmite el giro de un eje a otro<br />
Eje conducido<br />
Eje conducctor<br />
Control de avance:<br />
Permte desplazar<br />
verticalmente la broca<br />
Motor: Crea el<br />
movimiento giratorio<br />
Mandril: sujeta broca<br />
■ Figura 4.15 Ejemplos de máquinas compuestas.
132 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
■ Actividad 1 de palancas<br />
Identifica a qué género pertenecen las siguientes figuras de máquinas simples.<br />
BR<br />
BP<br />
P<br />
F<br />
BP<br />
BR<br />
P<br />
R<br />
P<br />
BP<br />
BP>BR<br />
R<br />
BR<br />
F<br />
R<br />
P<br />
P<br />
R<br />
BP BR<br />
R<br />
P<br />
F<br />
P<br />
BP<br />
BR<br />
BP<br />
BR<br />
R<br />
P<br />
P
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 133<br />
■ Actividad 2 de palancas<br />
Dibuja en el recuadro en blanco de la derecha de cada figura el diagrama que represente<br />
el género de cada palanca y sus características: fulcro (pivote, punto de apoyo),<br />
fuerza de potencia (F P<br />
), fuerza de resistencia (F R<br />
), brazo de potencia (B P<br />
) y brazo de<br />
resistencia (B R<br />
). Observa el ejemplo de la escoba.<br />
B P<br />
F p<br />
F r<br />
B R
134 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
PREGUNTAS Y EJERCICIOS DE REPASO DE LA ETAPA 4<br />
Preguntas conceptuales<br />
1. ¿Cuáles son las partes de una máquina simple?<br />
2. ¿Qué trabajo ayuda a realizar cada máquina simple?<br />
3. ¿Qué pasa si se intenta hacer el mismo trabajo sin la máquina?<br />
4. ¿Qué máquinas simples puedes hallar en tu casa?<br />
5. Juan piensa que, si Pedro se sienta en la orilla de la carretilla,<br />
lo podrá llevar más fácilmente que si se sentara al medio. ¿Tiene<br />
razón? Fundamenta tu respuesta.<br />
6. Podemos observar que a Raúl le cuestra más trabajo abrir la<br />
botella que a Mario. ¿Tendrá que ver en esto la forma en que sostienen<br />
el abre sodas cada uno de ellos? Fundamenta tu respuesta.
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 135<br />
7. Mary sostiene la bandera nacional. ¿Está aplicando el concepto<br />
de palanca al sostenerla? Fundamenta tu respuesta.<br />
Si es así, identifica el punto de apoyo, la fuerza de resistencia<br />
y la fuerza de potencia.<br />
Luis<br />
Juan<br />
8. ¿Decimos que los músculos actúan como un sistema de palancas.<br />
¿Qué opinas de esto? Justifica tu respuesta.<br />
Luis<br />
Juan<br />
9. ¿Cuál de los dos trabajadores empleará más fuerza para subir<br />
el barril hasta lo alto? Justifica tu respuesta.<br />
Pedro<br />
Raúl<br />
10. ¿Cuál de los dos trabajadores empleará más fuerza para<br />
mover la piedra? Justifica tu respuesta.
136 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
Preguntas de opcion múltiple<br />
1. <strong>La</strong>s máquinas simples se derivan de las siguientes máquinas fundamentales que son:<br />
a) <strong>La</strong> polea, el plano inclinado y la palanca<br />
b) <strong>La</strong> polea, el polipasto y el tornillo sin fin<br />
c) El plano inclinado y el polipasto<br />
d) <strong>La</strong> palanca y el plano inclinado<br />
2. Es la relación entre la fuerza de salida o resultante y la fuerza aplicada o de entrada<br />
a) Ventaja mecánica<br />
b) Trabajo mecánico<br />
c) Eficiencia<br />
d) Potencia<br />
3. Es la relación entre el trabajo mecánico de salida o útil y el trabajo mecánico aplicada o de entrada<br />
a) Ventaja mecánica<br />
b) Resistencia mecánica<br />
c) Eficiencia<br />
d) Potencia<br />
4. Tipo de palanca donde el punto de apoyo se encuentra situado entre la Potencia y la Resistencia<br />
a) Palanca de primer género<br />
b) Palanca de segundo género<br />
c) Palanca de tercer género<br />
5. Tipo de palanca donde la resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza<br />
a) Palanca de primer género<br />
b) Palanca de segundo género<br />
c) Palanca de tercer género<br />
6. Tipo de palanca donde la fuerza se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia.<br />
a) Palanca de primer género<br />
b) Palanca de segundo género<br />
c) Palanca de tercer género<br />
7. Ejemplos de palancas de primer género.<br />
a) Balanzas, alicates, tijeras y tenazas<br />
b) Carretillas, cascanueces, destapador<br />
c) Pinzas, martillos, cañas de pescar<br />
8. Ejemplos de palancas de segundo género.<br />
a) Balanzas, alicates, tijeras y tenazas<br />
b) Carretillas, cascanueces, destapador<br />
c) Pinzas, martillos, cañas de pescar<br />
9. Ejemplos de palancas de tercer género.<br />
a) Balanzas, alicates, tijeras y tenazas<br />
b) Carretillas, cascanueces, destapador<br />
c) Pinzas, martillos, cañas de pescar
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 137<br />
10. Indica hacia qué lado se moverá la palanca si cada cuadrado pesa 1 N y cada segmento mide 1 m.<br />
Problemas<br />
Palancas<br />
1. En una barra de 6 m que se utiliza como palanca se coloca el fulcro a 2 m de distancia <strong>del</strong> extremo<br />
derecho, como se muestra en la figura. En ese mismo extremo se requiere soportar una carga de 90 N.<br />
Despreciando el peso de la palanca, determina: F p<br />
, V MI<br />
, V MR<br />
y la eficiencia <strong>del</strong> sistema.<br />
6 m<br />
F p<br />
F r<br />
Respuestas: F p<br />
= 45 N, V MI<br />
= 2, V MR<br />
= 2, Eficiencia = 100%<br />
2. Se tiene en el extremo izquierdo de una palanca de 5 m, un fulcro y a un 1 m de distancia <strong>del</strong> fulcro<br />
se coloca un peso de 90 N, como se muestra en la figura. Determina: F p<br />
, V MI<br />
, V MR<br />
y la eficiencia <strong>del</strong><br />
sistema.<br />
5 m<br />
F p<br />
1 m<br />
F r<br />
Respuestas: F p<br />
= 18 N, V MI<br />
= 5, V MR<br />
= 5, Eficiencia = 100%
138 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
3. En la siguiente figura, determina el largo de la palanca para F p = 30 N, colocando a un 1 m de distancia<br />
<strong>del</strong> fulcro un peso de 90 N, además determina: V MI<br />
, V MR<br />
y la eficiencia <strong>del</strong> sistema.<br />
d = ? m<br />
F p<br />
1 m<br />
F r<br />
4. Se posiciona un fulcro a una distancia de 2 m <strong>del</strong> extremo izquierdo, como muestra la figura, para<br />
levantar una roca de 68.6 N. El largo total de la palanca es de 8 m. Determina el valor de la fuerza de<br />
potencia aplicada, además de V MI<br />
, V MR<br />
y la eficiencia <strong>del</strong> sistema.<br />
8 m<br />
Fr<br />
2 m<br />
p<br />
Respuestas: F p<br />
= 22.87 N, V MI<br />
= 3, V MR<br />
= 3, Eficiencia = 100%<br />
5. Si se utiliza un contrapeso de 245 N para levantar una roca de 980 N en una palanca de 170 cm de<br />
largo, calcula la ventaja mecánica real e ideal colocando el fulcro a 30 cm de la roca.<br />
980 N<br />
245 N<br />
Respuestas: V MI<br />
= 4, V MR<br />
= 4.66, Rendimiento = 85.84%
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 139<br />
6. Se tiene una caña de pescar de 3.45 m de largo, como se muestra en la figura. Determina la fuerza que<br />
debe emplear el pescador para sostener un pez de 343 N si se apoya a 1.15 m <strong>del</strong> extremo. Realiza el<br />
diagrama de fuerzas.<br />
7. Si se necesita mover un peso de 784 N aplicando solo 78.4 N de fuerza utilizando una barra de longitud<br />
de 4 m, ¿a qué distancia se debería de poner el punto de apoyo de la palanca?<br />
8. Un joven pescador utiliza su caña de 3.3 m para sostener un pez cuyo peso es de 245 N, aplicando una<br />
fuerza de 39.2 N. Determina a qué distancia <strong>del</strong> extremo debe aplicar la fuerza.<br />
Plano inclinado<br />
9. ¿Cómo afecta la longitud <strong>del</strong> plano en el esfuerzo que tenemos que hacer? ¿Y la inclinación?<br />
10. Se desea utilizar una rampa de 5 m de largo para subir muebles de 490 N hasta una tarima de 2 m de<br />
altura. Suponiendo que la eficiencia de la rampa sea de 100%, ¿cuál debe ser la fuerza necesaria para<br />
subir cada mueble por la rampa?<br />
11. Un plano inclinado está conformado por una tabla de madera de 3 m de largo y se coloca para subir<br />
cajas de 80 N hasta una altura de 1.4 m. Si la fuerza necesaria para subir cada caja es de 45 N, ¿cuál es<br />
la eficiencia <strong>del</strong> plano inclinado?<br />
12. Para evitar la altura de una escalera de 30 cm utilizamos una tabla a modo de rampa. ¿Qué fuerza<br />
habrá que hacer para subir una carretilla con 392 N de masa si el tablón tiene una longitud de 1.5 m?<br />
13. Se desea subir un objeto de 3 000 N de peso hasta una altura de 1 m sobre el suelo. Diseña un plano<br />
inclinado de manera que no se tenga que aplicar una fuerza superior a 500 N para moverlo.<br />
14. Queremos subir un barril de 1 470 N a la caja de un camión que tiene 120 cm de altura, utilizando<br />
unos tablones como rampa. ¿Qué longitud deben tener los tablones para ejercer una fuerza de 490 N?<br />
Poleas<br />
15. Una polea de 10 cm de diámetro se utiliza para subir una cubeta con cemento que pesa 400 N. ¿Cuál<br />
debe ser la fuerza que se debe aplicar a la cuerda para subir la cubeta por el otro extremo?<br />
<strong>Movimiento</strong><br />
de la cuerda<br />
R<br />
r<br />
Giro de la polea<br />
y <strong>del</strong> eje<br />
Fuerza de<br />
Potencia (F p<br />
)<br />
Fuerza de<br />
Resistencia (F R<br />
)
140 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
16. Se coloca una polea móvil de 10 cm de diámetro para elevar una cubeta con cemento que pesa 400 N,<br />
como en el problema anterior. ¿Qué fuerza se debe aplicar desde la parte superior para subirla?<br />
Extremo<br />
fijo<br />
Extremo<br />
móvil<br />
Cuerda<br />
Polea<br />
de gancho<br />
17. De las siguientes palabras que representan máquinas, investiga su significado, dónde se utiliza comúnmente<br />
y elabora una ilustración de cada una de ellas.<br />
Término Pescante Garrucha Malacate<br />
Término Gato de tornillo Cabria Aparejo
Etapa 4 <strong>La</strong>s máquinas, una aplicación de los principios y leyes <strong>del</strong> movimiento 141<br />
Torno<br />
18. Queremos subir un cuerpo de 1 000 N de peso con un torno cuyo radio <strong>del</strong> cilindro es de 10 cm, y el<br />
de la manivela de 50 cm. Determina la fuerza que debemos aplicar.<br />
19. En un torno compuesto por un tambor de radio 10 cm y una manivela de 1 m, ¿qué fuerza debemos<br />
aplicar para mover una carga de 980 N?<br />
20. Un torno está formado por un cilindro de 30 cm de diámetro y una manivela de 60 cm. ¿Qué peso<br />
podremos levantar con una fuerza de 294 N?
142 <strong>La</strong> <strong>Ciencia</strong> <strong>del</strong> <strong>Movimiento</strong><br />
FACTORES DE CONVERSION DE UNIDADES DE MEDICIÓN<br />
LONGITUD<br />
1 m = 100 cm = 1000 mm = 10 6 µm = 10 9 nm<br />
1 km = 1000 m = 0.6215 millas<br />
1 m = 3.281 pie = 39.37 pulg<br />
1 cm = 0.3937 pulg<br />
1 pulg = 2.54 cm<br />
1 pie = 30.48 cm<br />
1 yarda (yd) = 91.44 cm<br />
1 milla (mi) = 5280 pie = 1.609 km<br />
1 año luz = 9.461 * 10 15 m<br />
MASA<br />
1 kg = 1000 g<br />
1 libra = 454 g<br />
1 onza = 28.35 g<br />
1 tonelada = 1000 kg<br />
1 g = 6.85 * 10 -5 slug<br />
TIEMPO<br />
1 h = 60 min<br />
1 min = 60 s<br />
1 h = 3600 s<br />
1 d = 86400 s<br />
1 a = 365.24 d = 3.156 * 10 7 s<br />
ÁREA<br />
1 cm 2 = 0.155 pulg 2<br />
1 m 2 0 104 cm 2 = 10.76 pie 2<br />
1 pulg 2 = 6.452 cm 2<br />
1 pie 2 = 144 pulg 2 = 0.0929 m 2 PRESIÓN<br />
VOLUMEN<br />
1 litro = 1000 cm 3 = 10 -3 m 3 = 0.03531 pie 3<br />
1 litro = 61.02 pulg 3<br />
1 pie 3 = 0.02832 m 3 = 28.32 litros<br />
1 pie 3 = 7.477 galones<br />
1 galón = 3.788 litros<br />
RAPIDEZ<br />
1 m/s = 3.6 km/h<br />
1 km/h = 0.2778 m/s = 0.6214 mi/h<br />
1 m/s = 3.281 pie/s<br />
1 pie/s = 0.3048 m/s<br />
ACELERACIÓN<br />
1 m/s 2 = 100 cm/s 2<br />
1 m/s 2 = 3.281 pie/s 2<br />
1 cm/s 2 = 0.01 m/s 2 = 0.03281 pie/s 2<br />
1 pie/s 2 = 0.3048 m/s 2 = 30.48 cm/s 2<br />
FUERZA<br />
1 N = 10 5 dina<br />
1 lb = 4.448 N<br />
1 lb = 4.448 * 10 5 dina<br />
ÁNGULO<br />
1 rad = 57.30° = 180°/π<br />
1° = 0.01745 rad = π/180 rad<br />
1 revolución = 360° = 2π rad<br />
1 rev/min = 0.1047 rad/s<br />
1 Pa = 1 N/m 2 = 1.45 x 10 -4 lb/pulg 2<br />
1 Pa = 0.209 lb/pie 2<br />
1 bar = 10 5 Pa<br />
1 atm = 1.013 x 10 5 Pa = 1.013 bar<br />
1 atm = 14.7 lb/pulg 2<br />
1 atm = 760 mm hg<br />
1 mm Hg = 1 torr = 133.3 Pa<br />
ENERGÍA<br />
1 J = 10 7 erg = 0.239 cal<br />
1 cal = 4.186 J<br />
1 pie libra = 1.356 J<br />
1 BTU = 1055 J = 252 cal<br />
1 eV = 1.602 10 -19 J<br />
1 kWh = 3.6 * 10 6 J<br />
POTENCIA<br />
1 W = 1 J/s<br />
1 Kw = 1000 w<br />
1 HP = 746 W = 550 pie.lb/s<br />
1 BTU/h = 0.293 W<br />
EQUIVALENCIA DE MASA-ENERGÍA<br />
1 kg ↔ 8.988 * 10 6 J