Ejercicios: Fuerzas cotidianas: peso, normal, rozamiento, tensión y empuje

Calcula el peso de una mochila de $5\ \text{kg}$ (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$) e indica hacia dónde apunta esa fuerza.

Una pesa de baño marca $60\ \text{kg}$.

1. a) ¿Qué mide realmente la pesa: la masa o el peso?
2. b) ¿Cuál es el peso de esa persona en newtons (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$)?
3. c) ¿Qué marcaría la pesa en la Luna, donde la gravedad es menor? Razona la respuesta.

Un libro de $2\ \text{kg}$ está quieto sobre una mesa (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las fuerzas que actúan sobre el libro.
2. b) Calcula el peso del libro y la fuerza normal que ejerce la mesa.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Una taza está apoyada sobre el mesón de la cocina. ¿Qué cuerpo ejerce la fuerza normal sobre la taza? ¿En qué dirección apunta? ¿Por qué crees que se llama fuerza «normal»?

Un jugador de rugby se arrastra por el pasto tras un tacleo. Dibuja en tu cuaderno al jugador deslizándose hacia la derecha y representa la fuerza de roce sobre él: ¿hacia dónde apunta y por qué?

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Una lámpara de $3\ \text{kg}$ cuelga del techo sujeta por un cable (considera $g = 9,8\ \text{m/s}^2$).

1. a) ¿Qué fuerzas actúan sobre la lámpara y quién las ejerce?
2. b) Calcula la tensión del cable.

Cuando sumerges una pelota de playa en la piscina y la sueltas, sale disparada hacia arriba. ¿Qué fuerza, además del peso, actúa sobre la pelota mientras está sumergida? ¿Qué cuerpo la ejerce y hacia dónde apunta?

Una maceta está apoyada en el antepecho de una ventana, en reposo. Enumera las fuerzas que actúan sobre ella indicando qué cuerpo ejerce cada una, y dibuja el diagrama de fuerzas en tu cuaderno.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Un operario arrastra una caja de $10\ \text{kg}$ por el suelo horizontal con una fuerza de $60\ \text{N}$, y el roce vale $30\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$). La figura muestra las fuerzas que actúan sobre la caja.

1. a) Calcula el peso de la caja y la normal del suelo.
2. b) Calcula la fuerza neta horizontal y la aceleración de la caja.

Un cajón de $20\ \text{kg}$ se arrastra por un piso para el que la fuerza de roce está dada por $F_r = \mu \cdot N$, con $\mu = 0,3$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula la fuerza normal sobre el cajón.
2. b) Calcula la fuerza de roce.
3. c) ¿Qué fuerza horizontal mínima hay que aplicar para que el cajón avance con velocidad constante? Justifícalo.

Dos equipos tiran de una cuerda en sentidos opuestos, cada uno con una fuerza de $350\ \text{N}$, y la cuerda no se mueve, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto vale la tensión en cualquier punto de la cuerda? (Cuidado: no es la suma de las dos fuerzas; razona por qué).
2. b) Si uno de los equipos suelta la cuerda, ¿qué ocurre con la tensión y con el movimiento de la cuerda? Explícalo.

Un montacargas sube una carga de $60\ \text{kg}$ con una aceleración de $2\ \text{m/s}^2$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las fuerzas que actúan sobre la carga.
2. b) Calcula su peso.
3. c) Aplica el principio fundamental para calcular la tensión del cable.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Una persona de $60\ \text{kg}$ está de pie sobre una pesa dentro de un ascensor (considera $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto marca la pesa con el ascensor en reposo?
2. b) Cuando el ascensor acelera hacia arriba a $2\ \text{m/s}^2$, la normal vale $N = m \cdot (g + a)$: calcula lo que marca la pesa en ese caso.
3. c) ¿Ha cambiado el peso real de la persona? Explica qué es lo que ha cambiado.

Un astronauta tiene una masa de $80\ \text{kg}$.

1. a) Calcula su peso en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$).
2. b) Calcula su peso en la Luna, donde $g = 1,6\ \text{m/s}^2$.
3. c) ¿Cambió su masa al ir a la Luna? ¿Y su peso? Explica la diferencia entre ambos conceptos.

Sobre un libro apoyado en la mesa actúan el peso y la normal, que tienen el mismo valor y sentidos opuestos. Un alumno afirma: «como son iguales y opuestas, son un par de acción y reacción». Explica por qué se equivoca, indicando sobre qué cuerpo actúa cada una de esas fuerzas y cuál es la verdadera fuerza «pareja» de cada una según el principio de acción y reacción.

Una piedra pesa $10\ \text{N}$ en el aire y, colgada de un dinamómetro y sumergida en agua, el aparato marca $6\ \text{N}$, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto vale el empuje del agua sobre la piedra?
2. b) ¿Hacia dónde apunta esa fuerza?
3. c) Si la piedra se soltara dentro del agua, ¿se hundiría o flotaría? Razona la respuesta comparando el peso con el empuje.

Una caja de $5\ \text{kg}$ está sobre el suelo horizontal y se la empuja con una fuerza horizontal de $40\ \text{N}$; el roce vale $20\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las cuatro fuerzas que actúan sobre la caja, nombrando cada una y el cuerpo que la ejerce.
2. b) Calcula el valor de las cuatro fuerzas.
3. c) Calcula la fuerza neta sobre la caja y su aceleración.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Un camión circula por la autopista a velocidad constante y su motor ejerce una fuerza de $2000\ \text{N}$.

1. a) ¿Cuánto vale la fuerza de roce total (aire y ruedas) en esas condiciones? Justifícalo con el principio fundamental.
2. b) Si el motor aumenta su fuerza a $2600\ \text{N}$ y el roce se mantiene, calcula la fuerza neta y explica qué le ocurre a la velocidad del camión.
3. c) El roce con el aire crece con la velocidad: explica con ayuda de este dato por qué el camión no puede superar cierta velocidad máxima por mucho que se pise el acelerador.

Una persona de $60\ \text{kg}$ está de pie sobre una pesa dentro de un ascensor y la pesa marca $660\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula el peso real de la persona.
2. b) Calcula la fuerza neta que actúa sobre ella.
3. c) Deduce el valor y el sentido de la aceleración del ascensor.

Una locomotora de $2000\ \text{kg}$ tira de dos vagones iguales de $2000\ \text{kg}$ cada uno con una fuerza de $6000\ \text{N}$ (considera despreciable el roce).

1. a) Calcula la aceleración del conjunto.
2. b) Calcula la tensión del enganche entre la locomotora y el primer vagón.
3. c) Calcula la tensión del enganche entre los dos vagones y explica por qué es menor que la anterior.

Un estudiante empuja un mueble cada vez con más fuerza: con $10\ \text{N}$ no se mueve, con $20\ \text{N}$ no se mueve, con $30\ \text{N}$ no se mueve y con $35\ \text{N}$ empieza a deslizar.

1. a) ¿Cuánto valía la fuerza de roce en cada uno de los tres primeros casos? Justifícalo con el principio fundamental.
2. b) ¿Cuál es el valor máximo de la fuerza de roce estático entre el mueble y el suelo?
3. c) Una vez en movimiento, ¿esperas que el roce siga valiendo lo mismo? Razona la respuesta con lo que sabes del roce estático y del dinámico.

Un barco de acero de $50000\ \text{kg}$ flota en el puerto, mientras que un perno de acero de $50\ \text{g}$ se hunde hasta el fondo (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el peso de cada uno (ten cuidado con las unidades de masa).
2. b) Si el barco flota en equilibrio, ¿cuánto vale el empuje del agua sobre él?
3. c) Explica, hablando del volumen de agua que desplaza cada uno, cómo es posible que el barco genere un empuje tan grande y el perno no, siendo ambos de acero.

Un paracaidista de $70\ \text{kg}$ desciende con el paracaídas abierto a velocidad constante de $5\ \text{m/s}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) ¿Cuánto vale la fuerza de resistencia del aire sobre el paracaídas? Justifícalo con el principio fundamental.
2. b) Antes de abrirse el paracaídas, el paracaidista caía también a velocidad constante, de $50\ \text{m/s}$. ¿Era entonces la resistencia del aire mayor, menor o igual que con el paracaídas abierto? Razona la respuesta.
3. c) Explica qué ocurre con la fuerza neta en el instante en que se abre el paracaídas y por qué el paracaidista frena hasta alcanzar una nueva velocidad constante.

Un alumno afirma: «la normal siempre vale lo mismo que el peso». Para comprobarlo, se coloca una caja de $10\ \text{kg}$ sobre el suelo y se tira de ella hacia arriba con una cuerda que ejerce $30\ \text{N}$, sin llegar a levantarla (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las tres fuerzas verticales que actúan sobre la caja.
2. b) Como la caja está en reposo, calcula el valor de la normal.
3. c) Explica por qué la afirmación del alumno es falsa en general e indica en qué caso concreto sí sería cierta.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Reto del tema. ¿Cómo interactúan las fuerzas en situaciones reales cotidianas? Diseña un informe técnico investigando las fuerzas sobre un envase de conservas o de plástico en tu propia casa.

1. Equilibrio y empuje: Mide la masa del envase vacío y su volumen ($m \pm 0,001\text{ kg}$). Sumérgelo cerrado (con aire dentro) y por completo en agua sujeto con un hilo al fondo; determina numéricamente el empuje $\vec{E}$, la tensión $\vec{T}$ y el peso $\vec{P}$, representando a escala el diagrama vectorial en equilibrio.

2. Roce dinámico: Añade 4 masas distintas de arroz o agua al envase. Tira de él horizontalmente a velocidad constante sobre una mesa con una cinta elástica calibrada previamente. Registra el valor de la normal $\vec{N}$ y la fuerza de roce $\vec{F}_r$ en una tabla incluyendo sus incertidumbres asociadas.

3. Tratamiento y predicción: Construye el gráfico $F_r$ en función de $N$, deduce el coeficiente de roce $\mu$ a partir de la pendiente y aplica la segunda ley de Newton ($\sum \vec{F} = m \vec{a}$) para calcular la aceleración del envase si se le aplicara una fuerza horizontal constante de $2,0\text{ N}$ con una de las cargas del apartado 2 (indica cuál), comprobando antes si esa fuerza supera el rozamiento.

4. Informe: Redacta una propuesta razonada que sintetice el análisis vectorial, el gráfico y tus conclusiones.

Se evaluará:

• Identificación, descomposición y cálculo vectorial preciso de $\vec{P}$, $\vec{N}$, $\vec{F}_r$, $\vec{T}$ y $\vec{E}$.

• Calidad experimental en la toma de medidas, estimación de incertidumbres y representación gráfica.

• Aplicación correcta del principio fundamental de la dinámica ($\sum \vec{F} = m \vec{a}$).

• Estructura, coherencia y justificación científica del informe final.