Aplicaciones cotidianas: peso, normal, rozamiento y seguridad vial

Una lámpara está quieta sobre la mesita 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 $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) ¿Cuánto pesa la bolsa?
2. b) ¿Con qué fuerza empuja tu mano hacia arriba? Justifícalo pensando en que la bolsa no acelera.

Una lavadora de $60\ \text{kg}$ está quieta sobre el suelo de la cocina. Toma $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Calcula su peso.
2. b) ¿Cuánto vale la fuerza normal que el suelo ejerce sobre ella? Justifícalo.
3. c) El peso y la normal son fuerzas iguales y de sentido contrario, pero NO forman un par acción-reacción: explica por qué (pista: fíjate en sobre qué cuerpo actúa cada una).

Un libro está quieto sobre una mesa, como se muestra en la figura.

1. a) Nombra las dos fuerzas que actúan sobre el libro, quién ejerce cada una y en qué sentido.
2. b) Explica por qué esas dos fuerzas no forman un par acción-reacción.
3. c) Indica cuál es la verdadera reacción del peso del libro (pista: ¿a quién atrae el libro?) y la verdadera reacción de la normal (pista: ¿qué fuerza hace el libro sobre la mesa?).

Nombra dos situaciones cotidianas en las que la fricción nos ayuda (sin ella no podríamos hacer algo) y explica cada una brevemente.

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?

Para arrastrar el sofá por la sala hay que empujar fuerte al principio, pero una vez que se mueve se desliza con menos esfuerzo.

1. a) Explica qué diferencia hay entre la fricción en reposo y la fricción en movimiento.
2. b) ¿Qué pasaría con la fuerza necesaria si antes quitaras los cojines y vaciaras los cajones? Razona la respuesta.

Frenar en bicicleta sobre una placa de hielo es muy peligroso.

1. a) Explica qué les pasa a la rueda y al rozamiento si frenas fuerte sobre hielo.
2. b) Predice por qué es mejor frenar suavemente y usar sobre todo el freno trasero en esa situación.

Tiras de un carrito de equipaje de $10\ \text{kg}$ por el suelo del aeropuerto con una fuerza horizontal de $30\ \text{N}$, como se muestra en la figura, y el carrito avanza a velocidad constante.

1. a) ¿Cuánto vale la fuerza neta sobre el carrito? ¿Cuánto vale entonces la fricción?
2. b) De repente tiras con $50\ \text{N}$ (y la fricción sigue valiendo lo mismo): calcula la aceleración del carrito.
3. c) La primera ley dice que sin fuerzas un cuerpo seguiría moviéndose: ¿por qué hay que seguir tirando para mantener la velocidad constante? No hay contradicción: explícalo.

Los neumáticos de los carros llevan un dibujo en la banda de rodadura y hay que cambiarlos cuando están «lisos». Explica para qué sirve ese dibujo y qué peligro tiene manejar con llantas lisas, sobre todo con el pavimento mojado.

Ordena estas situaciones de menor a mayor distancia de frenado y justifica el orden pensando en la velocidad y en el rozamiento disponible:

1. a) Un carro a $50\ \text{km/h}$ con el pavimento seco.
2. b) El mismo carro a $50\ \text{km/h}$ con el pavimento mojado.
3. c) El mismo carro a $100\ \text{km/h}$ con el pavimento seco.

Dos carros idénticos (misma masa) circulan uno a $50\ \text{km/h}$ y otro a $100\ \text{km/h}$, y ambos frenan a la vez con la misma fuerza de frenado.

1. a) Usando la segunda ley, explica por qué los dos desaceleran por igual.
2. b) Razona cuál de los dos necesitará más tiempo para pararse y, por tanto, más metros.
3. c) Con esta idea, explica por qué en la ciudad el límite es de $30\ \text{km/h}$ o de $50\ \text{km/h}$ y no de $120\ \text{km/h}$.

Los tramos con gravilla suelta son especialmente peligrosos en las curvas.

1. a) Explica, con la primera ley, qué tiende a hacer un carro al llegar a una curva.
2. b) ¿Qué fuerza es la que realmente consigue que el carro gire? ¿Qué pasa si esa fuerza es pequeña porque hay gravilla suelta?
3. c) Relaciona lo anterior con las señales de «gravilla suelta» y con la recomendación de reducir la velocidad antes de la curva, no durante.

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?

En un choque, la cabeza del conductor tiende a seguir moviéndose hacia adelante (primera ley). El airbag se infla en una fracción de segundo para frenarla.

1. a) ¿Por qué es menos dañino frenar la cabeza con el airbag que contra el volante?
2. b) Relaciona tu respuesta con la segunda ley: ¿qué le pasa a la fuerza si la frenada se reparte en más tiempo?

Analiza un choque frontal a $50\ \text{km/h}$ con las leyes de Newton:

1. a) Explica, con la primera ley, qué hace el cuerpo de un pasajero sin cinturón en el momento del impacto.
2. b) Explica qué dos cosas hace el cinturón para protegerlo: sujetarlo y repartir la fuerza por zonas resistentes del cuerpo.
3. c) El airbag alarga el tiempo que dura la frenada de la cabeza: usando la segunda ley, razona por qué eso reduce la fuerza que sufre la cabeza.

Reto del tema. Diseña un informe pericial de seguridad vial analizando el frenado y la inercia en vehículos.

Fase 1. Experimentación: Impulsa una pequeña caja sobre una mesa usando siempre la misma tensión de una liga elástica. Mide la distancia de frenado $d$ con una regla ($\pm 0.1\text{ cm}$) variando la masa: vacía ($m$), con monedas ($2m$) y con el triple ($3m$). Realiza tres repeticiones por masa, calcula la media con su incertidumbre y construye una tabla y gráfica de $d$ frente a $m$.

Fase 2. Análisis newtoniano: Explica el movimiento usando la 1.ª ley (inercia). Aplica la 2.ª ley ($F = m \times a$) para deducir la fuerza neta de frenado e identifica el par acción-reacción (3.ª ley) entre el objeto y la superficie, esquematizando el peso, la normal y el rozamiento.

Fase 3. Aplicación vial: Consulta en el sitio web oficial de la NHTSA (Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras) los factores que alteran la distancia de detención. Redacta una propuesta razonada con tres recomendaciones para conductores, justificando con la física estudiada y los datos de la NHTSA el peligro del exceso de carga y del desgaste de las llantas, y discute si tus datos experimentales bastan para explicar el peligro de la carga.

Se valorará:

• Rigor en la toma de datos, tratamiento de la incertidumbre y trazado de tabla y gráfica.

• Corrección científica al aplicar las tres leyes de Newton y las fuerzas involucradas.

• Calidad de la propuesta vial apoyada en los datos experimentales y de la NHTSA.