Aplicaciones cotidianas: peso, normal, rozamiento y seguridad vial

Una lámpara está quieta sobre la mesita de luz 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?

Sostenés en la mano abierta, sin que se mueva, una bolsa con $2\ \text{kg}$ de naranjas, como se muestra en la figura. Tomá $g \approx 10\ \text{m/s}^2$.

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

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

1. a) Calculá su peso.
2. b) ¿Cuánto vale la fuerza normal que el piso ejerce sobre ella? Justificalo.
3. c) Peso y normal son fuerzas iguales y de sentido contrario, pero NO forman un par acción-reacción: explicá por qué (pista: fijate sobre qué cuerpo actúa cada una).

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

1. a) Nombrá las dos fuerzas que actúan sobre el libro, quién ejerce cada una y en qué sentido.
2. b) Explicá por qué esas dos fuerzas no forman un par acción-reacción.
3. c) Indicá 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?).

Nombrá dos situaciones cotidianas en las que el rozamiento nos ayuda (sin él no podríamos hacer algo) y explicá cada una brevemente.

Nombrá dos situaciones cotidianas en las que el rozamiento estorba (gasta energía, desgasta piezas o calienta) y explicá cómo se suele reducir en cada caso.

Completá la frase y poné 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 el living hay que empujar fuerte al principio, pero una vez que se mueve se desliza con menos esfuerzo.

1. a) Explicá qué diferencia hay entre el rozamiento en reposo y el rozamiento en movimiento.
2. b) ¿Qué pasaría con la fuerza necesaria si antes sacaras los almohadones y vaciaras los cajones? Razoná la respuesta.

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

1. a) Explicá por qué, hablando del rozamiento entre las superficies en contacto.
2. b) Nombrá una situación en la que interese que el rozamiento sea grande y otra en la que interese que sea pequeño.

Los esquiadores enceran la base de los esquís antes de una competencia.

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

Tirás de un carrito de equipaje de $10\ \text{kg}$ por el piso 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 el rozamiento?
2. b) De repente tirás con $50\ \text{N}$ (y el rozamiento sigue valiendo lo mismo): calculá 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: explicalo.

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

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

Explicá por qué es tan fácil resbalar al caminar sobre una vereda helada. ¿Qué tiene que ver el rozamiento? ¿Por qué se echa sal o arena sobre el hielo?

Los neumáticos de los autos llevan un dibujo en la banda de rodamiento y hay que cambiarlos cuando están «lisos». Explicá para qué sirve ese dibujo y qué peligro tiene circular con ruedas lisas, sobre todo con la calzada mojada.

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

1. a) Explicá qué les pasa a la rueda y al rozamiento si frenás fuerte sobre hielo.
2. b) Predecí 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.

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

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

1. a) Un auto a $50\ \text{km/h}$ con la calzada seca.
2. b) El mismo auto a $50\ \text{km/h}$ con la calzada mojada.
3. c) El mismo auto a $100\ \text{km/h}$ con la calzada seca.

Dos autos 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, explicá por qué los dos desaceleran por igual.
2. b) Razoná cuál de los dos necesitará más tiempo para pararse y, por lo tanto, más metros.
3. c) Con esta idea, explicá 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) Explicá qué le pasa al rozamiento entre el neumático y la calzada en mojado (el agua hace de «lubricante»).
2. b) Relacioná ese menor rozamiento con la fuerza máxima de frenado disponible y, usando la segunda ley, con la desaceleración que puede conseguir el auto.
3. c) Concluí: ¿por qué con lluvia hay que ir más despacio aunque el auto y los frenos sean exactamente los mismos?

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

Fase 1. Experimentación: Impulsá una pequeña caja sobre una mesa usando siempre la misma tensión de una goma elástica. Medí 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 ($3m$). Realizá tres repeticiones por masa, calculá la media con su incertidumbre y construí una tabla y un gráfico de $d$ frente a $m$.

Fase 2. Análisis newtoniano: Explicá el movimiento usando la 1.ª ley (inercia). Aplicá la 2.ª ley ($F = m \cdot a$) para deducir la fuerza neta de frenado e identificá 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: Consultá en la web oficial de la UNASEV los factores que alteran la distancia de detención. Redactá una propuesta razonada con tres recomendaciones para conductores, justificando con la física estudiada y los datos de la UNASEV el peligro del exceso de carga y del desgaste de los neumáticos, y discutí 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 gráfico.

• 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 UNASEV.

Explicá 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 delante (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) Relacioná 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) Explicá 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?

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

1. a) Explicá, con la primera ley, qué hace el cuerpo de un pasajero sin cinturón en el momento del impacto.
2. b) Explicá 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, razoná por qué eso reduce la fuerza que sufre la cabeza.

Los autos 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 auto indeformable: explicá por qué en realidad sería peor para los pasajeros.
2. b) Relacioná 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?