Aplicaciones cotidianas de las leyes de Newton: peso, normal, fricción y seguridad vial
Una lámpara está quieta sobre la mesa de noche, un libro no se hunde en la mesa y, en un choque de buses en la carretera de Managua a León, el cinturón de seguridad puede hacer la diferencia. Parecen tres situaciones distintas, pero se explican con las mismas ideas: el peso, la fuerza normal, la fricción y las leyes de Newton.
Peso y normal: dos fuerzas que no son acción-reacción
Si pones un libro sobre un colchón blando, lo ves hundirse hasta que se detiene. Si lo pones sobre una mesa de madera, no se nota que se hunda nada. ¿Qué fuerza ejerce la mesa hacia arriba para que el libro no siga cayendo?
La mesa se deforma un poquito, aunque no lo notes, y esa deformación es la que empuja hacia arriba, igual que un resorte comprimido.
Elementos de una fuerza y el dinamómetro
Una fuerza se representa con una flecha (vector) y tiene cuatro elementos: el punto de aplicación (donde empieza la flecha), la dirección (la recta sobre la que actúa), el sentido (hacia dónde apunta la punta) y la magnitud (el largo de la flecha, medido en newton). La magnitud se mide con un dinamómetro, un resorte con escala: mientras más se estira, mayor es la fuerza.
Una lámpara está quieta sobre la mesa de noche y no cae al suelo, como se muestra en la figura. La Tierra tira de ella hacia abajo con su peso: ¿qué otra fuerza actúa…
Una lámpara está quieta sobre la mesa de noche y no cae al suelo, como se muestra en la figura.
La Tierra tira de ella hacia abajo con su peso: ¿qué otra fuerza actúa sobre la lámpara, quién la ejerce y en qué dirección y sentido?
Sostienes en la mano abierta, sin que se mueva, una bolsa con $2\ \text{kg}$ de naranjas, como se muestra en la figura. Toma $g \approx 10\ \text{m/s}^2$. a) ¿Cuánto…
Sostienes en la mano abierta, sin que se mueva, una bolsa con $2\ \text{kg}$ de naranjas, como se muestra en la figura. Toma $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.
- a) ¿Cuánto pesa la bolsa?
- b) ¿Con qué fuerza empuja tu mano hacia arriba? Justifícalo pensando en que la bolsa no acelera.
Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia
Cuando empujas una carretilla la tocas; cuando sueltas una pelota, la Tierra la jala sin tocarla. ¿Cómo se clasifican las fuerzas según haya o no contacto?
La fricción: amiga y enemiga
Si empujas con la misma fuerza una caja sobre un piso pulido, desliza muchos metros; sobre una alfombra, apenas avanza unos centímetros. ¿Qué fuerza aparece entre las superficies y por qué cambia tanto según el material?
Y si dejas de empujar un carro que rueda sobre asfalto plano, no se detiene al instante: por la primera ley sigue moviéndose y solo la fricción en movimiento lo va frenando poco a poco.
Nombra dos situaciones cotidianas en las que la fricción nos ayuda (sin ella no podríamos hacer algo) y explica cada una brevemente.
Nombra dos situaciones cotidianas en las que la fricción nos ayuda (sin ella no podríamos hacer algo) y explica cada una brevemente.
Nombra dos situaciones cotidianas en las que la fricción estorba (gasta energía, desgasta piezas o calienta) y explica cómo se suele reducir en cada caso.
Nombra dos situaciones cotidianas en las que la fricción estorba (gasta energía, desgasta piezas o calienta) y explica cómo se suele reducir en cada caso.
Completa la frase y pon un ejemplo de la vida cotidiana: «La fuerza de rozamiento entre dos superficies en contacto siempre se opone al $\dots$ relativo entre ellas, o a…
Completa la frase y pon un ejemplo de la vida cotidiana: «La fuerza de rozamiento entre dos superficies en contacto siempre se opone al $\dots$ relativo entre ellas, o a la tendencia a $\dots$».
Para arrastrar el sofá por la sala hay que empujar fuerte al principio, pero una vez que se mueve se desliza con menos esfuerzo. a) Explica qué diferencia hay entre el…
Para arrastrar el sofá por la sala hay que empujar fuerte al principio, pero una vez que se mueve se desliza con menos esfuerzo.
- a) Explica qué diferencia hay entre el rozamiento en reposo y el rozamiento en movimiento.
- b) ¿Qué pasaría con la fuerza necesaria si antes quitaras los cojines y vaciaras las gavetas? Razona la respuesta.
Arrastrar una cómoda pesada por la alfombra cuesta mucho más que por un piso de mármol pulido. a) Explica por qué, hablando de la fricción entre las superficies en…
Arrastrar una cómoda pesada por la alfombra cuesta mucho más que por un piso de mármol pulido.
- a) Explica por qué, hablando de la fricción entre las superficies en contacto.
- b) Nombra una situación en la que interese que la fricción sea grande y otra en la que interese que sea pequeña.
Los esquiadores enceran la base de los esquís antes de una competencia. a) ¿Qué consiguen con ello? Relaciónalo con la fricción. b) Da otro ejemplo de deporte o de…
Los esquiadores enceran la base de los esquís antes de una competencia.
- a) ¿Qué consiguen con ello? Relaciónalo con la fricción.
- b) Da otro ejemplo de deporte o de máquina en el que se use cera, aceite u otro lubricante, y explica su función.
Hay que empujar un carro descompuesto para sacarlo de la calle. Cuesta muchísimo ponerlo en marcha, pero una vez que rueda se mantiene en movimiento con un empuje suave.…
Hay que empujar un carro descompuesto para sacarlo de la calle. Cuesta muchísimo ponerlo en marcha, pero una vez que rueda se mantiene en movimiento con un empuje suave.
- a) Explica el primer tramo con la inercia y con la fricción en reposo.
- b) Explica el segundo tramo con la fricción en movimiento y la primera ley.
- c) Si sobre asfalto plano dejaran de empujar, ¿se pararía el carro al instante? Razona la respuesta.
Cuando la fricción casi desaparece: hielo, lluvia y grava
Un día de lluvia en Managua, el piso mojado del parque resbala mucho más. ¿Qué cambió? La fricción entre tus suelas y el piso.
El agua, el hielo o la grava suelta actúan como «lubricante»: separan las superficies y la fricción baja. Con poca fricción es muy fácil resbalar, porque no hay una fuerza que empuje tus pies hacia adelante al caminar.
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Frenar sobre una superficie resbalosa (hielo, o lodo y agua en nuestras calles): si frenas fuerte, la rueda se bloquea y desliza. Con poca fricción casi no hay fuerza que frene, y además el carro o la bicicleta no se puede dirigir. Conviene frenar suave y usar sobre todo el freno trasero.
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Curvas: por la primera ley, un carro tiende a seguir en línea recta. Lo que lo hace girar es la fuerza de fricción entre las llantas y el pavimento, dirigida hacia el interior de la curva. Si hay grava suelta, esa fuerza es pequeña y el carro se «sale» de la curva. Por eso en las carreteras hay señales de «gravilla suelta». Por eso se baja la velocidad antes de entrar, no dentro de ella.
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Llantas lisas: el dibujo de la banda de rodamiento saca el agua de entre la llanta y el pavimento. Si está desgastado, el agua forma una capa y la llanta pierde agarre.
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Sal o arena sobre el hielo: aumentan la fricción y rompen la capa lisa.
Explica por qué es tan fácil resbalar al caminar sobre una acera helada. ¿Qué tiene que ver la fricción? ¿Por qué se echa sal o arena sobre el hielo?
Explica por qué es tan fácil resbalar al caminar sobre una acera helada. ¿Qué tiene que ver la fricción? ¿Por qué se echa sal o arena sobre el hielo?
Las llantas de los carros llevan un dibujo en la banda de rodamiento y hay que cambiarlas cuando están «lisas». Explica para qué sirve ese dibujo y qué peligro tiene…
Las llantas de los carros llevan un dibujo en la banda de rodamiento y hay que cambiarlas cuando están «lisas». Explica para qué sirve ese dibujo y qué peligro tiene circular con llantas lisas, sobre todo con la calle mojada.
Frenar en bicicleta sobre una placa de hielo es muy peligroso. a) Explica qué les pasa a la rueda y al rozamiento si frenas fuerte sobre hielo. b) Predice por qué es…
Frenar en bicicleta sobre una placa de hielo es muy peligroso.
- a) Explica qué les pasa a la rueda y al rozamiento si frenas fuerte sobre hielo.
- b) Predice por qué es mejor frenar suavemente y usar sobre todo el freno trasero en esa situación.
Los tramos con gravilla suelta son especialmente peligrosos en las curvas. a) Explica, con la primera ley, qué tiende a hacer un carro al llegar a una curva. b) ¿Qué…
Los tramos con gravilla suelta son especialmente peligrosos en las curvas.
- a) Explica, con la primera ley, qué tiende a hacer un carro al llegar a una curva.
- b) ¿Qué fuerza es la que realmente consigue que el carro gire? ¿Qué pasa si esa fuerza es pequeña porque hay gravilla suelta?
- c) Relaciona lo anterior con las señales de «gravilla suelta» y con la recomendación de reducir la velocidad antes de la curva, no durante.
Frenar en carretera: rapidez, fricción y distancia
¿Por qué? Por la segunda ley, $a = F/m$. Si la fuerza de frenado y la masa son las mismas, la desaceleración es la misma. Pero a mayor rapidez inicial hay que "gastar" más rapidez, y eso lleva más tiempo y más metros. Aquí basta saber que la distancia crece mucho más rápido que la rapidez: al duplicar la rapidez, la distancia de frenado se hace unas cuatro veces mayor.
Ordena estas situaciones de menor a mayor distancia de frenado y justifica el orden pensando en la velocidad y en el rozamiento disponible: a) Un carro a…
Ordena estas situaciones de menor a mayor distancia de frenado y justifica el orden pensando en la velocidad y en el rozamiento disponible:
- a) Un carro a $50\ \text{km/h}$ con la calzada seca.
- b) El mismo carro a $50\ \text{km/h}$ con la calzada mojada.
- c) El mismo carro a $100\ \text{km/h}$ con la calzada seca.
Cinturón, airbag y casco: alargar el tiempo del choque
Si lanzas un huevo contra una pared de ladrillo, se revienta. Si lo lanzas igual de fuerte contra una sábana floja que cuelga en el patio, frena suave y no se rompe. Misma rapidez, resultados opuestos. ¿Por qué?
Primera ley en un choque. Cuando el carro se detiene de golpe, los pasajeros siguen moviéndose hacia adelante por inercia, a la rapidez que llevaban. Sin cinturón, salen disparados contra el volante, el parabrisas o el tablero.
El cinturón hace dos cosas: sujeta al pasajero para que frene junto con el carro, y la Ley 431 de tránsito exige usarlo; además reparte la fuerza en zonas resistentes del cuerpo (pecho y cadera). Además se estira un poco, lo que alarga el tiempo de frenado.
El airbag, el casco de moto o de bicicleta y las zonas de deformación comparten la misma idea:
Explica para qué sirve el casco de la bicicleta pensando en lo que le pasaría a tu cabeza en una caída, con y sin casco. ¿Qué ventaja tiene que el golpe dure un poquito…
Explica para qué sirve el casco de la bicicleta pensando en lo que le pasaría a tu cabeza en una caída, con y sin casco. ¿Qué ventaja tiene que el golpe dure un poquito más?
El casco de moto lleva por dentro una capa gruesa de espuma que se deforma al recibir un golpe. a) Explica qué ventaja tiene que la espuma se deforme en lugar de ser…
El casco de moto lleva por dentro una capa gruesa de espuma que se deforma al recibir un golpe.
- a) Explica qué ventaja tiene que la espuma se deforme en lugar de ser totalmente rígida.
- b) ¿Por qué se recomienda cambiar el casco después de un golpe fuerte aunque por fuera parezca intacto?
Vuelve al principio: la lámpara y el libro no caen porque la superficie ejerce una normal hacia arriba que equilibra el peso; y en un choque, el cinturón te protege porque sujeta tu cuerpo y alarga el tiempo de frenado, con lo que baja la fuerza sobre ti.