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6 Las fuerzas en la naturaleza OBSERVA Y REFLEXIONA Siempre que salimos a pasear con la bicicleta se produce un rozamiento al entrar en contacto la rueda con el suelo. Este rozamiento será mayor entre superficies rugosas y disminuirá cuando entren en contacto superficies lisas. a) ¿Cuál de estas ruedas se utiliza en el ciclismo en carretera? Intenta razonar la elección.

b) ¿Qué pasaría si tuviésemos que pedalear con una bicicleta sobre hielo? c) ¿Por qué crees que se utilizan ruedas con clavos para circular por un terreno helado? a) Los atletas que practican ciclismo en carretera utilizan el siguiente tipo de rueda:

Se trata una rueda lisa y sin tacos que minimiza el rozamiento y hace más fácil el desplazamiento. b) En un terreno helado, el rozamiento es inferior al que se produce en una carretera o en un camino de tierra y son frecuentes los patinazos bruscos, sobre todo en las frenadas. Por ello debemos reducir la velocidad para minimizar la cantidad e intensidad de las mismas. También evitaremos los giros bruscos. c) Las ruedas con clavos aumentan la adherencia al terreno y facilitan la maniobrabilidad de la bicicleta.

PIENSA Y REFLEXIONA Existen distintos tipos de pedales. Uno de los más curiosos consiste en un sistema de imanes adosados a la zapatilla y al pedal (figura 1) que permite que el pie quede perfectamente fijado y aumente la eficacia del pedaleo. ¿Qué ventajas piensas que tiene este sistema frente al antiguo sistema de rastrales (figura 2), que ajustaba el pie al pedal mediante correas? El sistema de imanes permite desbloquear el pie en caso de caída o desequilibrio simplemente haciendo una fuerza superior a la magnética que los mantiene unidos, algo difícil si tenemos el pie fijado con correas al pedal. Los pedales con imanes permiten extraer la zapatilla con un simple movimiento lateral.

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Unidad 6| Las fuerzas en la naturaleza

ACTIVIDADES 1.

¿Qué efectos producen las fuerzas en las siguientes situaciones? a) Un jugador de béisbol que golpea la pelota con el bate. b) Una persona que empuja el carro de la compra. c) Un panadero que amasa el pan. d) Unos amigos empujando un coche para que arranque. a) Modifica la dirección del movimiento y acelera la pelota. En el momento en el que el bate contacta con la pelota también se produce una pequeña deformación. b) En principio, la persona modifica el estado de reposo del carro. Aunque también puede acelerar, frenar y modificar la dirección del carro. c) Se produce deformación plástica. d) Modifican el estado de reposo del coche y aceleran su movimiento.

2.

Al aplicar una fuerza de 2 N sobre un muelle, este se alarga 4 cm. ¿Cuánto se alargará si la fuerza es el triple? ¿Qué fuerza tendríamos que hacer para que el alargamiento fuera de 6 cm? Si la fuerza se triplica, la longitud también se triplicará, es decir, será de 12 cm. El alargamiento y la fuerza son magnitudes directamente proporcionales; por tanto, si se alarga 4 cm cuando se aplica una fuerza de 2 N, para que se alargue 6 cm habrá que aplicar una fuerza de 3 N.

3.

¿Qué números deberíamos poner en A, B, C y D para calibrar el siguiente dinamómetro?

Teniendo en cuenta la proporcionalidad entre la fuerza y el alargamiento, se puede calibrar el dinamómetro y marcar su escala. Por tanto: A=4N 4.

B=8N

C = 16 N

D = 20 N

Hemos representado cuatro fuerzas por su vector. Ordénalas de mayor a menor intensidad:

La longitud del vector determina su intensidad. Por tanto, ordenados de mayor a menor el resultado será: C > A > B > D.

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5.

Marcial, Ana y Mamen empujan en el mismo sentido un vehículo para que arranque. Marcial empuja con una fuerza de 105 N, y Ana, de 120 N. Si sabemos que la fuerza resultante es de 307 N, ¿cuál es la intensidad de la fuerza que ejerce Mamen? Entre Marcial y Ana ejercerán una fuerza de F1 de: F1 = (105 + 120) N = 225 N Restamos esta cantidad a la resultante para calcular la fuerza (FM) ejercida por Mamen: FM = (307 – 225) N = 82 N

6.

Si accionamos el freno en un coche, ¿con cuál de los dos neumáticos que se muestran tardará más tiempo en detenerse? Razona tu respuesta. El rozamiento del neumático con el suelo ayudará a que se detenga el coche. Por tanto, ya que la fuerza de rozamiento es mayor si las superficies que entran en contacto son rugosas, el neumático más liso hará que el coche se deslice más cuando se acciona el freno y tarde más en detenerse el vehículo.

7.

Si ejercemos una fuerza de 5 N sobre un muelle, este se alargará 5 cm. ¿Podrías calcular su constante elástica? Expresamos los datos en el sistema Internacional: F=5N

x = 5 cm = 0,05 m

Utilizando la ley de Hook podemos calcular la constante elástica: F =k ⋅ x → k =

8.

5N F → k= =100 N/m x 0, 05 m

¿Por qué los jugadores de fútbol juegan con botas de tacos? ¿Qué pasaría si no los tuvieran? Los tacos proporcionan un mayor agarre al terreno de juego. La superficie de los campos de fútbol suele estar compuesta por césped y al correr sobre este, y más si está húmedo, los jugadores pueden sufrir resbalones, incrementándose notablemente el riesgo de lesión. El fin de los tacos es clavarse en el suelo para evitar estos resbalones.

9.

Di si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) A mayor distancia entre las cargas, mayor fuerza eléctrica entre ellas. b) Dos cargas de distinto signo siempre se repelen. c) En el aceite, las fuerzas eléctricas entre cargas son menores que en el aire. d) Dos cargas del mismo signo se atraen. a) Falso. b) Falso. c) Verdadero. d) Falso.

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10. Di si las siguientes frases se refieren a la electrización por contacto. a) Se consigue que la carga de ambos cuerpos sea del mismo signo. b) Es difícil que las cargas se acumulen en una zona. a) Verdadero. b) Falso. 11. Acercamos una varilla cargada positivamente a una bola de poliestireno, de manera que queda electrizada por inducción. ¿Cuál es el signo de las cargas marcadas con círculos verdes? ¿Y el de las amarillas? Las cargas verdes serán negativas (por los que se verán atraídas por las cargas positivas azules de la varilla) y las amarillas serán positivas, que se alejarán de las cargas de la varilla. 12. Haz una lista de cinco objetos que encuentres a tu alrededor que puedan ser atraídos por un imán. Clips, clavos, otros imanes, agujas, tornillos, tuercas, alambres, llaves y un sinfín de objetos que contienen hierro. 13. ¿Podemos medir la fuerza magnética con un dinamómetro? Explica cómo lo harías. Podemos colgar un objeto de hierro de un dinamómetro y apuntar cuál es el alargamiento producido. Después acercamos un imán y observamos el nuevo alargamiento, la diferencia entre ambas fuerzas nos dará una idea de la fuerza magnética.

LA FÍSICA AYUDA A LA MEDICINA 1. Suponiendo que hemos dibujado cada polo magnético de un color, ¿cuál piensas que debe ser la disposición real de las cuentas en este artilugio? Deberán estar enfrentados polos distintos para que se mantengan unidos los imanes que mantengan el esófago cerrado cuando se coloque al paciente. 2. Para cerrar este brazalete debemos juntar sus extremos alrededor del esófago. ¿Crees que la única fuerza que debe permitir la unión es la magnética? Razona tu respuesta. Habría que “atar” los extremos, ya que la fuerza magnética no sería suficiente, sobre todo cuando el bolo alimenticio pase por el esófago y separe las cuentas venciendo la fuerza magnética. De esta manera, si no estuviesen atadas, podrían dispersarse por el organismo al separarse. 3. Investiga en internet otras situaciones en las que se utilice el magnetismo en medicina. Uno de los últimos usos del magnetismo en medicina son las resonancias magnéticas, que consiguen un diagnóstico preciso de múltiples enfermedades, incluso en etapas iniciales.

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14. Aprende a orientarte utilizando un mapa y una brújula con este juego. ¿Qué crees que sucederá si acercamos un imán a una brújula? Al acercar un imán a una brújula, la aguja de esta se dirigirá al imán. 15. Di si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones. Corrígelas en caso de que no sean verdaderas. a) Una corriente eléctrica puede llegar a atraer limaduras de hierro. b) Si en el experimento de Faraday, en lugar de mover el imán, movemos la bobina, también observaremos que se ha producido una corriente. c) La corriente eléctrica creada en el experimento de Faraday también generará un campo magnético. a) Verdadero b) Verdadero c) Verdadero 16. a) ¿Qué sucede cuando acercas el clip al electroimán con este conectado a la pila? b) ¿Y si desconectas la pila? ¿Qué ocurre? ¿Por qué? a) Al acercar el clip al electroimán cuando está conectado veremos que ambos se sentirán atraídos. b) Al desconectar la pila, deja de existir una corriente eléctrica y, por tanto cesa el campo magnético y deja de atraer al clip. 17. a) ¿Podemos afirmar que el electroimán también dispone de un polo norte y un polo sur? b) ¿Qué ocurre con los polos cuando invertimos la conexión de los cables a la pila? a) Los pasos 3 y 4 del procedimiento que mostramos anteriormente demuestran que el electroimán también posee polo norte y sur. b) Al invertir los cables se invierte la polaridad. 18. Di qué efectos producen las fuerzas en las siguientes situaciones: a) Un portero de fútbol que para un penalti. b) Una goma de la que colgamos un peso. c) Una persona que anda sobre un suelo embarrado. d) Un atleta que levanta un peso del suelo. a) Frena el movimiento. También puede que haya cambiado su dirección y que exista una pequeña deformación en el balón. b) En principio, se produce una deformación elástica. c) Al pisar el suelo se produce una deformación plástica. d) Se modifica el estado de reposo de un cuerpo.

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19. Di si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones. En caso de que sean falsas, escríbelas correctamente. a) Los cuerpos elásticos son aquellos que quedan deformados, aunque dejemos de ejercer la fuerza. b) Una canica que rueda sobre una superficie va perdiendo fuerza. c) Las fuerzas siempre aumentan o reducen la velocidad del cuerpo sobre el que actúan, nunca cambian su dirección. d) Una fuerza es cualquier causa capaz de deformar un cuerpo o modificar su estado de reposo o movimiento. a) Falso. Los cuerpos elásticos son aquellos que recuperan su tamaño y forma cuando la fuerza deja de actuar. b) Falso. Lo correcto sería decir que la canica va disminuyendo su velocidad por la fuerza de rozamiento. c) Falso. Las fuerzas también pueden cambiar la dirección del cuerpo en movimiento. d) Verdadero.

20. Completa la siguiente frase incluyendo una palabra en cada hueco: Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza externa, este continuará en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme. 21. Ejercemos diferentes fuerzas sobre un dinamómetro y representamos los alargamientos en la siguiente gráfica: Con los datos de la gráfica se pueden completar las primeras casillas del ejercicio y de ahí calcular el resto sabiendo que el alargamiento será proporcional a la fuerza ejercida. Fuerza (N)

Alargamiento (mm)

0,2

10

0,6

30

1

50

1,4

70

2

100

3

150

4

200

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22. Dibuja vectores que representen fuerzas que cumplan las condiciones que se marcan en cada uno de los apartados. a) Dos fuerzas con la misma intensidad, pero distinta dirección. b) Dos fuerzas con la misma dirección, pero distinta intensidad. c) Dos fuerzas con la misma dirección, pero distinto sentido. d) Tres fuerzas con el mismo punto de aplicación. a)

b)

c)

d)

23. Mide con una regla los siguientes vectores de fuerza. Si suponemos que 0,5 cm representan 100 N, ¿cuál es la fuerza resultante del conjunto de fuerzas que actúa en cada viñeta? a)

b)

a) Medimos la longitud de los vectores y hacemos un vector con la misma dirección, pero con una longitud que sea la suma de las longitudes anteriores. Como ambos vectores tienen la misma intensidad, el resultado será un vector el doble de largo (4,8 cm). b) En este caso los dos vectores tienen la misma intensidad y dirección, pero distinto sentido, por lo que la resultante será cero.

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24. ¿Qué fuerza habrá que aplicar para comprimir 25 cm un amortiguador de un coche (muelle) cuya constante elástica es de 8000 N/m? Teniendo en cuenta la relación de Hooke: F= k ⋅ x . Sustituimos: x = 25 cm = 0,25 m, y k = 8000 N/m. Y obtenemos: F = 8000 · 0,25 = 2000 N. 25. ¿Cuál será el alargamiento que produciremos en un muelle al aplicarle una fuerza de 80 N si sabemos que su constante elástica es de 500 N/m? Teniendo en cuenta la relación de Hooke: F= k ⋅ x . Sustituimos: F = 80 N y k = 500 N/m. Y tenemos: 80 = 500 · x. Despejamos x y el resultado es: x = 80/500 = 0,16 m. 26. En el juego de la sogatira, la fuerza de rozamiento es muy importante. ¿Podrías indicar dónde está presente esta fuerza en dicho juego?

¿Qué ocurriría si no existiese la fuerza de rozamiento en los lugares que has señalado? Existe rozamiento entre las manos de los jugadores y la cuerda, y también entre el suelo y su calzado. Si no hubiera rozamiento entre la cuerda y las manos de los jugadores, esta se les escurriría y no podrían tirar de ella. Y si el rozamiento con el suelo fuese menor en uno de los equipos o inexistente, al otro equipo le resultaría muy sencillo remolcarlos. 27. En esta animación podrás experimentar con la fuerza de rozamiento del aire. Verás una pelota verde a la que no le afecta el rozamiento y una amarilla a la que sí. Varía el radio de la pelota para ver cómo influye en el movimiento este cambio. Sin rozamiento, las dos caen al mismo tiempo, independientemente del tamaño. Pero si activamos el rozamiento, vemos que la pelota amarilla tarda más en caer. 28. Relaciona cada situación entre las partículas cargadas eléctricamente con la intensidad de las fuerzas que se muestran. La fuerza disminuye si se aumenta la distancia entre las cargas. Por tanto, el emparejamiento queda de la siguiente manera:

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29. Un péndulo electrostático es un aparato que permite detectar fuerzas entre cuerpos cargados. Construye uno atando el extremo de un hilo de seda a una bola de poliestireno. Fija el otro extremo a tu mesa dejando la bola suspendida en el aire. Carga una varilla de plástico por frotación y acércala a la bola. a) Describe lo que sucede. ¿Podrías explicar el comportamiento de la bola? b) Frota un objeto metálico y acércalo. ¿Qué ocurrirá ahora?

a) Al frotar la varilla de vidrio, esta queda cargada positivamente y al acercarla atraerá a las cargas negativas de la bola y ambas quedarán pegadas. b) En los objetos metálicos no conseguiremos concentrar la carga en una zona. Por tanto, no lo electrizaremos y no atraerá a la bola. 30. Busca información en la red sobre otras formas de electrizar un cuerpo, además de las estudiadas en este tema. • Electrización por absorción óptica: Para lograrla, hay que iluminar materiales semiconductores con ciertos tipos de luz. • También se pueden cargar algunos compuestos al disolverse en líquidos, disociándose en compuestos químicos cargados positiva y negativamente, que se pueden separar por una corriente eléctrica. • De igual manera se puede generar un movimiento de cargas aplicando calor a la unión de dos materiales diferentes. 31. Di si un imán puede atraer las siguientes aleaciones: Aleación

Composición

Bronce

Cobre y aluminio

Acero

Hierro y carbono

Latón

Cobre y cinc

Invar

Níquel y hierro

Atraerá al acero y al invar porque ambos incluyen hierro entre sus componentes.

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32. ¿Podríamos utilizar un imán para distinguir si una pulsera es de oro puro o si, por el contrario, contiene alguna cantidad de hierro? Si el material se ve atraído por un imán, querrá decir que contiene una cierta cantidad de hierro. 33. ¿Hacia dónde apunta exactamente la aguja de una brújula? a) b) c) d)

Hacia el ecuador terrestre. Hacia el polo sur terrestre. Hacia el polo norte terrestre. Hacia el polo sur magnético.

La opción correcta es la d).

34. En Sudáfrica, el mapa de la Tierra se representa de la siguiente manera:

¿Serviría este tipo de mapas para orientarnos con una brújula? ¿Hacia dónde apuntaría una brújula en Sudáfrica? Aunque el mapa esté “al revés”, los polos norte (ahora abajo) y sur (arriba) geográficos seguirán estando en el mismo lugar, y la brújula seguirá apuntando hacia el polo sur magnético (muy cerca del polo norte geográfico). 35. En el vídeo de la página 128 se reproduce el experimento de Faraday. Describe cómo se mueve la aguja del amperímetro al acercar y alejar el imán. Se puede observar cómo la aguja del amperímetro se desplaza indicando que se produce una corriente eléctrica al mover un campo magnético (imán). 36. Una grúa electromagnética es un tipo de grúa que dispone de un electroimán con el que se puede atraer chatarra y trasladarla a otro lugar. ¿Qué hay que hacer para que se pueda soltar la chatarra? Si el imán fuera permanente, resultaría más difícil separarlo. Pero al ser un electroimán, al dejar de aplicar una corriente eléctrica, dejará de comportarse como un imán y la chatarra caerá.

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PONTE A PRUEBA Las fuerzas en una melé de rugby Con la información que se muestra en la gráfica, responde a las siguientes cuestiones: 1. Di si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) El pico de fuerza de 16 000 N en una melé se mantiene durante más de dos segundos. b) En ningún momento se ejercen fuerzas inferiores a 8000 N. c) Durante más de un segundo se están ejerciendo fuerzas de 8000 N. d) En ningún momento se ejercen fuerzas de 12 000 N. e) Un solo jugador puede alcanzar un pico de 16 000 N de fuerza en una melé. Solo es cierta la afirmación c). 2. ¿Crees que es importante la fuerza de rozamiento en una melé? Explica cómo actúa el rozamiento en este tipo de jugadas. Es importante el rozamiento con el suelo y los jugadores se ayudan de él para no ser desplazados por el equipo contrario. Con terrenos de juego muy mojados, el rozamiento puede disminuir. 3. Cuando todas las fuerzas están en equilibrio, ¿qué fuerza media ejerce cada jugador? Dividimos la fuerza de 8000 N que realizan entre los ocho jugadores y resultará una fuerza de 1000 N por jugador. 4. En el rugby femenino, el pico inicial puede llegar a los 8700 N, y la fuerza final sostenida, a los 4500 N. Haz una gráfica de cómo sería la fuerza en función del tiempo en una melé en un partido entre mujeres.

5. Hemos dibujado en una misma gráfica las fuerzas ejercidas por dos equipos en una melé (uno en rojo y otro en verde). ¿Qué crees que ocurrió en esa jugada? ¿Podrías decir cuál fue la fuerza resultante a los 1,5 segundos de iniciarse la melé? En la gráfica se ve que el equipo rojo empujó con más fuerza, por lo que es muy probable que ganase la melé. Alcanzó un mayor pico de fuerza y la fuerza sostenida final también fue mayor. Después de 1,5 s, la fuerza resultante era de 2000 N en el sentido en el que empujaba el equipo rojo.

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Midiendo la velocidad desde el aire 1. Busca información sobre el modo de evitar estas descargas y haz una lista de al menos cinco consejos. A la vista de los conocimientos obtenidos en esta unidad, intenta razonar por qué funcionan esas sugerencias. En internet se pueden encontrar múltiples consejos para evitar la electricidad estática. Aquí te ofrecemos algunas páginas de consulta: www.e-sm.net/svf2esoso06_01

www.e-sm.net/svf2esoso06_02

2. Trabajando en grupos, realizad un vídeo de menos de dos minutos donde se visualicen algunas de las recomendaciones para evitar estos calambres. Se les puede pedir a los alumnos que no solo se dediquen a escenificar las recomendaciones, sino que expliquen por medio de esquemas los fundamentos físicos de las mismas.

AUTOEVALUACIÓN 1.

¿Qué cuerpos son elásticos?

4.

a) Los que recuperan su tamaño y forma cuando una fuerza deja de actuar sobre ellos.

a) Dos cargas positivas se atraen. b) Dos cargas negativas se repelen. c) No se puede cargar ningún objeto usando electrización por frotación.

b) Aquellos cuerpos que quedan deformados aunque dejemos de ejercer la fuerza.

d) a y b son verdaderas.

c) Los que nunca cambian de forma al aplicarles una fuerza. d) Los que se rompen al aplicarles una fuerza. Respuesta correcta: a) 2.

Indica verdadero o falso según corresponda:

Respuesta correcta: b) 5.

Jimena y Marina empujan un baúl en la misma dirección y sentido. Ambas empujan con una fuerza de 40 N. ¿Cuál es la fuerza resultante que actúa sobre el baúl si el rozamiento vale 60 N?

Entre varias cargas, la fuerza eléctrica es menor si… a)

Disminuimos la distancia entre ellas.

b)

Aumentamos el número de cargas.

c)

Aumentamos la distancia entre ellas.

d)

Todas son del mismo signo. Respuesta correcta: c)

a) 80 N b) 60 N

6.

c) 20 N

a)

La zona de influencia de un imán.

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

b)

Los polos de un imán.

c)

El polo norte de un imán.

d)

Los lugares donde encontramos fuerza eléctrica.

Respuesta correcta: c) 3.

¿Qué es el campo magnético?

En un muelle cuya constante elástica es 400 N/m hemos realizado una fuerza de 20 N. ¿Qué alargamiento produciremos en el muelle?

Respuesta correcta: a) 7.

¿En cuál de las siguientes situaciones se crea un campo magnético?

a) 20 m

a)

Cargas en movimiento.

b) 5 m

b)

Cargas estáticas.

c) 5 cm

c)

Un aislante eléctricamente neutro.

d) 20 cm

d)

En ninguna de las situaciones anteriores.

Respuesta correcta: c)

Respuesta correcta: a)

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