Ejercicios: 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?

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.

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 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?

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.

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.

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 $\dots$».

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).

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.

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.

Arrastrar una cómoda pesada por la alfombra cuesta mucho más que por un piso de mármol pulido.

1. a) Explica por qué, hablando de la fricción entre las superficies en contacto.
2. 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.

1. a) ¿Qué consiguen con ello? Relaciónalo con la fricción.
2. b) Da otro ejemplo de deporte o de máquina en el que se use cera, aceite u otro lubricante, y explica su función.

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?

El casco de moto lleva por dentro una capa gruesa de espuma que se deforma al recibir un golpe.

1. a) Explica qué ventaja tiene que la espuma se deforme en lugar de ser totalmente rígida.
2. b) ¿Por qué se recomienda cambiar el casco después de un golpe fuerte aunque por fuera parezca intacto?

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?).

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.

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 $120\ \text{km/h}$.

En los cursos de manejo se recomienda duplicar o triplicar la distancia de seguridad cuando llueve.

1. a) Explica qué le pasa a la fricción entre el neumático y el pavimento en mojado (el agua hace de «lubricante»).
2. b) Relaciona esa menor fricción con la fuerza máxima de frenado disponible y, usando la segunda ley, con la desaceleración que puede conseguir el carro.
3. c) Concluye: ¿por qué con lluvia hay que ir más despacio aunque el carro y los frenos sean exactamente los mismos?

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.

Hay que empujar un carro descompuesto para apartarlo de la calzada. Cuesta muchísimo ponerlo en marcha, pero una vez que rueda se mantiene en movimiento con un empuje suave.

1. a) Explica el primer tramo con la inercia y con el rozamiento en reposo.
2. b) Explica el segundo tramo con el rozamiento en movimiento y la primera ley.
3. c) Si sobre asfalto llano dejaran de empujar, ¿se pararía el carro al instante? Razona la respuesta.

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.

Los carros modernos se diseñan con «zonas de deformación programada»: la carrocería se arruga de forma controlada durante un choque.

1. a) A primera vista parece mejor un carro indeformable: explica por qué en realidad sería peor para los pasajeros.
2. b) Relaciona la deformación con el tiempo que dura la frenada del choque y, usando la segunda ley, con la fuerza que llega a los pasajeros.
3. c) ¿Qué parecido tiene este diseño con el airbag y con la espuma del casco?

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.