Exercicis: Aplicacions quotidianes: pes, normal, fregament i seguretat viària

Un llum està quiet sobre la tauleta de nit i no cau a terra, com es mostra a la figura.

La Terra estira d'ell cap avall amb el seu pes: quina altra força actua sobre el llum, qui l'exerceix i en quina direcció i sentit?

Anomena dues situacions quotidianes en què el fregament ens ajuda (sense ell no podríem fer alguna cosa) i explica cadascuna breument.

Anomena dues situacions quotidianes en què el fregament fa nosa (gasta energia, desgasta peces o escalfa) i explica com se sol reduir en cada cas.

Explica per què és tan fàcil relliscar en caminar sobre una vorera gelada. Què hi té a veure el fregament? Per què es tira sal o sorra sobre el gel?

Explica per a què serveix el casc de la bicicleta pensant en el que li passaria al teu cap en una caiguda, amb casc i sense. Quin avantatge té que el cop duri una mica més?

Els pneumàtics dels cotxes porten un dibuix a la banda de rodament i cal canviar-los quan estan «llisos». Explica per a què serveix aquest dibuix i quin perill té circular amb rodes llises, sobretot amb la calçada mullada.

Sostens a la mà oberta, sense que es mogui, una bossa amb $2\ \text{kg}$ de taronges, com es mostra a la figura. Pren $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Quant pesa la bossa?
2. b) Amb quina força empeny la teva mà cap amunt? Justifica-ho pensant que la bossa no accelera.

Completa la frase i posa un exemple de la vida quotidiana: «La força de fregament entre dues superfícies en contacte sempre s'oposa al $\dots$ relatiu entre elles, o a la tendència a $\dots$».

Una rentadora de $60\ \text{kg}$ està quieta sobre el terra de la cuina. Pren $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Calcula el seu pes.
2. b) Quant val la força normal que el terra exerceix sobre ella? Justifica-ho.
3. c) Pes i normal són forces iguals i de sentit contrari, però NO formen un parell acció-reacció: explica per què (pista: fixa't sobre quin cos actua cadascuna).

Per arrossegar el sofà pel menjador cal empènyer fort al principi, però un cop es mou llisca amb menys esforç.

1. a) Explica quina diferència hi ha entre el fregament en repòs i el fregament en moviment.
2. b) Què passaria amb la força necessària si abans traguessis els coixins i buidessis els calaixos? Raona la resposta.

Frenar en bicicleta sobre una placa de gel és molt perillós.

1. a) Explica què els passa a la roda i al fregament si frenes fort sobre gel.
2. b) Prediu per què és millor frenar suaument i utilitzar sobretot el fre del darrere en aquesta situació.

Ordena aquestes situacions de menor a major distància de frenada i justifica l'ordre pensant en la velocitat i en el fregament disponible:

1. a) Un cotxe a $50\ \text{km/h}$ amb la calçada seca.
2. b) El mateix cotxe a $50\ \text{km/h}$ amb la calçada mullada.
3. c) El mateix cotxe a $100\ \text{km/h}$ amb la calçada seca.

Arrossegar una còmoda pesant per la moqueta costa molt més que per un terra de marbre polit.

1. a) Explica per què, parlant del fregament entre les superfícies en contacte.
2. b) Anomena una situació en què interessi que el fregament sigui gran i una altra en què interessi que sigui petit.

Els esquiadors enceren la base dels esquís abans d'una competició.

1. a) Què aconsegueixen amb això? Relaciona-ho amb el fregament.
2. b) Dona un altre exemple d'esport o de màquina en què s'utilitzi cera, oli o un altre lubricant, i explica la seva funció.

En un xoc, el cap del conductor tendeix a continuar movent-se cap endavant (primera llei). L'airbag s'infla en una fracció de segon per frenar-lo.

1. a) Per què és menys perjudicial frenar el cap amb l'airbag que contra el volant?
2. b) Relaciona la teva resposta amb la segona llei: què li passa a la força si la frenada es reparteix en més temps?

El casc de moto porta per dins una capa gruixuda d'escuma que es deforma en rebre un cop.

1. a) Explica quin avantatge té que l'escuma es deformi en lloc de ser totalment rígida.
2. b) Per què es recomana canviar el casc després d'un cop fort encara que per fora sembli intacte?

Un llibre està quiet sobre una taula, com es mostra a la figura.

1. a) Anomena les dues forces que actuen sobre el llibre, qui n'exerceix cadascuna i en quin sentit.
2. b) Explica per què aquestes dues forces no formen un parell acció-reacció.
3. c) Indica quina és la veritable reacció del pes del llibre (pista: a qui atrau el llibre?) i la veritable reacció de la normal (pista: quina força fa el llibre sobre la taula?).

Estires d'un carretó d'equipatge de $10\ \text{kg}$ pel terra de l'aeroport amb una força horitzontal de $30\ \text{N}$, com es mostra a la figura, i el carretó avança a velocitat constant.

1. a) Quant val la força neta sobre el carretó? Quant val llavors el fregament?
2. b) De sobte estires amb $50\ \text{N}$ (i el fregament continua valent el mateix): calcula l'acceleració del carretó.
3. c) La primera llei diu que sense forces un cos continuaria movent-se: per què cal continuar estirant per mantenir la velocitat constant? No hi ha contradicció: explica-ho.

Dos cotxes idèntics (mateixa massa) circulen un a $50\ \text{km/h}$ i l'altre a $100\ \text{km/h}$, i tots dos frenen alhora amb la mateixa força de frenada.

1. a) Utilitzant la segona llei, explica per què tots dos desacceleren per igual.
2. b) Raona quin dels dos necessitarà més temps per aturar-se i, per tant, més metres.
3. c) Amb aquesta idea, explica per què a la ciutat el límit és de $30\ \text{km/h}$ o de $50\ \text{km/h}$ i no de $120\ \text{km/h}$.

Als cursos de conducció es recomana duplicar o triplicar la distància de seguretat quan plou.

1. a) Explica què li passa al fregament entre el pneumàtic i la calçada en mullat (l'aigua fa de «lubricant»).
2. b) Relaciona aquest menor fregament amb la força màxima de frenada disponible i, utilitzant la segona llei, amb la desacceleració que pot aconseguir el cotxe.
3. c) Conclou: per què amb pluja cal anar més a poc a poc encara que el cotxe i els frens siguin exactament els mateixos?

Analitza un xoc frontal a $50\ \text{km/h}$ amb les lleis de Newton:

1. a) Explica, amb la primera llei, què fa el cos d'un passatger sense cinturó en el moment de l'impacte.
2. b) Explica quines dues coses fa el cinturó per protegir-lo: subjectar-lo i repartir la força per zones resistents del cos.
3. c) L'airbag allarga el temps que dura la frenada del cap: utilitzant la segona llei, raona per què això redueix la força que pateix el cap.

Cal empènyer un cotxe avariat per apartar-lo de la calçada. Costa moltíssim posar-lo en marxa, però un cop roda es manté en moviment amb una empenta suau.

1. a) Explica el primer tram amb la inèrcia i amb el fregament en repòs.
2. b) Explica el segon tram amb el fregament en moviment i la primera llei.
3. c) Si sobre asfalt pla deixéssiu d'empènyer, s'aturaria el cotxe a l'instant? Raona la resposta.

Els trams amb graveta solta són especialment perillosos als revolts.

1. a) Explica, amb la primera llei, què tendeix a fer un cotxe en arribar a un revolt.
2. b) Quina força és la que realment aconsegueix que el cotxe giri? Què passa si aquesta força és petita perquè hi ha graveta solta?
3. c) Relaciona l'anterior amb els senyals de «graveta solta» i amb la recomanació de reduir la velocitat abans del revolt, no durant.

Els cotxes moderns es dissenyen amb «zones de deformació programada»: la carrosseria s'arruga de manera controlada durant un xoc.

1. a) A primer cop d'ull sembla millor un cotxe indeformable: explica per què en realitat seria pitjor per als passatgers.
2. b) Relaciona la deformació amb el temps que dura la frenada del xoc i, utilitzant la segona llei, amb la força que arriba als passatgers.
3. c) Quina semblança té aquest disseny amb l'airbag i amb l'escuma del casc?

Repte del tema. Dissenya un informe pericial de seguretat viària analitzant la frenada i la inèrcia en vehicles.

Fase 1. Experimentació: Impulsa una capsa petita sobre una taula fent servir sempre la mateixa tensió d'una goma elàstica. Mesura la distància de frenada $d$ amb un regle ($\pm 0,1\text{ cm}$) variant la massa: buida ($m$), amb monedes ($2m$) i amb el triple ($3m$). Fes tres repeticions per massa, calcula la mitjana amb la seva incertesa i construeix una taula i gràfica de $d$ enfront de $m$.

Fase 2. Anàlisi newtoniana: Explica el moviment fent servir la 1a llei (inèrcia). Aplica la 2a llei ($F = m \cdot a$) per deduir la força neta de frenada i identifica el parell acció-reacció (3a llei) entre l'objecte i la superfície, esquematitzant el pes, la normal i el fregament.

Fase 3. Aplicació viària: Consulta al web oficial de la DGT els factors que alteren la distància d'aturada. Redacta una proposta raonada amb tres recomanacions per a conductors, justificant amb la física estudiada i les dades de la DGT el perill de l'excés de càrrega i del desgast de pneumàtics, i discuteix si les teves dades experimentals basten per explicar el perill de la càrrega.

Es valorarà:

• Rigor en la presa de dades, tractament de la incertesa i traçat de taula i gràfica.

• Correcció científica en aplicar les tres lleis de Newton i les forces involucrades.

• Qualitat de la proposta viària recolzada en les dades experimentals i de la DGT.