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BLOQUE   2

Las fuerzas.

La explicación de los cambios

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secuenci a 6

¿Por qué cambia el movimiento? sesión 1

Para empezar El movimiento cambia… ¿en la Tierra y en el espacio? Lee el texto. • Antes de la lectura, menciona cómo se puede cambiar velocidad de tres objetos en movimiento.

Texto introductorio

Todos hemos participado en juegos de pelota. A muchos nos agrada el futbol, a otros el basquetbol, el

beisbol, el voleibol, el tenis, el frontón o el billar, entre muchos deportes más. Hemos jugado a los quemados o a las canicas. No importa qué tan grande o pequeña sea nuestra pelota, qué tan suave o dura pueda ser o si estamos al aire libre o bajo techo, siempre que jugamos a la pelota, para ganar, necesitamos controlar sus movimientos. Sabemos que una pelota permanece donde está y en reposo hasta que alguien la golpea con el pie, la mano o algún objeto. Por ejemplo, algo tiene que suceder para cambiar la rapidez y la dirección de una pelota que lanzamos al aire. La pelota conserva su forma esférica, hasta que algo sucede que la deforma.

La Tierra y la Luna forman un sistema en continuo movimiento.

En la práctica de todos los deportes, hay muchos cuerpos que se ponen en movimiento o que cambian su manera de moverse.

Ahora sabes que Galileo demostró que la velocidad de los objetos en caída libre cambia de manera uniforme, pero no explicó las causas de este cambio. En esta secuencia identificarás qué es lo que provoca los cambios en el estado de movimiento de los objetos y cuáles son sus características. Valorarás la utilidad de este conocimiento en tu vida cotidiana, ya que tú te mueves en todo momento, o estás en contacto con cosas de tu entorno que modifican su manera de moverse o se deforman. 98

CIENCIAS

II

Consideremos lo siguiente… A continuación se presenta el problema que resolverás con lo que hayas aprendido durante esta secuencia.

En un partido de futbol puedes poner la pelota en movimiento, elevándola, y ver que luego cae; otras veces la haces avanzar a ras de suelo para pasársela a un compañero. Sabes que, si nadie la recibe, después de un tiempo se detendrá en el campo de juego. ¿Qué se requiere para que la pelota se mueva de estas maneras?

Una pelota en distintos momentos de su movimiento durante un juego.

Lo que pienso del problema En tu cuaderno: 1. ¿Qué debes hacer para iniciar el movimiento de una pelota? 2. Cuando la pelota está avanzando en el aire, ¿por qué cae? 3. ¿Qué se necesita para detener el movimiento de la pelota? 4. ¿Qué otros cambios en su movimiento puede tener una pelota? 5. ¿Por qué una pelota puede cambiar de forma? 6. Lo que produce los cambios en el estado de movimiento de la pelota, ¿es lo mismo en todos los casos? Explica tu respuesta.

Manos a la obra Actividad UNO Analicen algunas formas de modificar el movimiento de distintos objetos. Para ello: • Realicen la siguiente demostración. 1. Comenten: ¿Qué se necesita hacer para cambiar el movimiento de un objeto? 2. Van a necesitar un objeto ligero, como una pluma, un borrador, un sacapuntas o una corcholata. 99

secuenci a 6 3. Realicen lo que se indica: Experiencia A: a) Pidan a dos compañeros su participación y numérenlos. b) Soliciten que se coloquen frente a frente en los extremos de una mesa o escritorio. c) El alumno 1 impulsa el objeto de manera que se deslice sobre la mesa, en una trayectoria recta hacia el alumno 2. d) El alumno 2 no detiene el objeto. Experiencia B: a) El alumno 1 impulsa el objeto de manera que se deslice sobre la mesa en una trayectoria recta hacia el alumno 2. b) El alumno 2 detiene, con sus manos, al objeto cuando llega al extremo de la mesa. Experiencia C: a) El alumno 1 impulsa el objeto de manera que se deslice sobre la mesa en una trayectoria recta hacia el alumno 2. b) El alumno 2, colocado a la mitad de la mesa, desvía el objeto en movimiento hacia un lado. 4. Intercambien sus opiniones sobre: a) ¿Cómo sería el movimiento en las experiencias B y C de no haber intervenido el alumno 2? b) ¿Qué acción realizaron para cambiar el movimiento del objeto? c) ¿Cómo le llamarían a la noción física que permite cambiar el movimiento de un objeto? d) ¿Cómo sería la magnitud de esta acción si quisieran mover un escritorio?

100

CIENCIAS

II

El experimento de Galileo Lean el texto. Pongan especial atención en el razonamiento de Galileo. Texto de información inicial

¿Dos explicaciones del movimiento? Si pasa frente a nosotros una

pelota rodando, sabemos que no comenzó a moverse de manera espontánea, es decir, sin una causa aparente. Probablemente nuestro sentido común y la experiencia cotidiana nos indiquen que alguien la golpeó o impulsó para que se moviera. A lo largo del tiempo, se han buscado causas al movimiento; por ejemplo, Aristóteles pensaba que todo movimiento ocurre porque las cosas no están en el lugar al que pertenecen, al que necesitan llegar. Una vez allí ahí, se detienen. En otro de sus ingeniosos experimentos, Galileo consideró dos planos inclinados y un objeto que se Sin embargo, en el siglo XVI, Galileo desliza por ellos. En los dos primeros casos, el móvil alcanza la misma altura al subir por el segundo Galilei realizó una observación que plano, sólo que recorre más distancia conforme decrece la inclinación del segundo plano. En el caso revolucionó la física. Estableció que extremo de que el segundo plano quede horizontal, el móvil se moverá indefinidamente en línea recta a velocidad constante. el estado de movimiento de un cuerpo, que se define como su velocidad respecto a un punto de referencia, sólo puede ser alterado si actúa algo sobre él y que, en consecuencia, no hay móviles que se detengan por sí solos, como decía Aristóteles. El estado natural de movimiento de todo objeto, afirmó, es el movimiento rectilíneo uniforme, por lo tanto no se requiere de nada más para mantenerlo. En cambio, sí se requiere de una causa externa o interacción para modificar su rapidez o su dirección. El reposo es un caso particular del movimiento rectilíneo uniforme, en el que la rapidez es cero. Podemos concluir entonces que para que exista un cambio en el estado de movimiento de un cuerpo, siempre hay una interacción que hace que los objetos en reposo se muevan, cambien su rapidez o alteren su forma, o bien que se detengan si ya están en movimiento. Los movimientos cambian debido a las interacciones entre los cuerpos.

Vínculo entre Secuencias Recuerda que las aportaciones de Galileo a la ciencia las revisaste en la Secuencia 4: ¿Cómo caen los cuerpos?

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secuenci a 6 Sesión 2

Actividad DOS Identifiquen las interacciones causantes del movimiento de un objeto. • Realicen la demostración: 1. Contesten: ¿Un objeto puede moverse sin interactuar con algo? Expliquen. 2. Realicen los siguientes movimientos: a) Abran la puerta del salón desde dentro. b) Cierren la puerta del salón desde dentro. 3. Describan: a) El movimiento efectuado para abrir y cerrar la puerta. b) El esfuerzo necesario para abrir y cerrar la puerta. 4. Coloquen una silla junto a la puerta. 5. Realicen nuevamente los pasos 1 y 2. 6. Contesten en sus cuadernos: a) ¿Cómo interactúan con la puerta para abrirla y para cerrarla? b) ¿Qué nombre le darían a las interacciones que ejercieron sobre la puerta? c) ¿Cuándo se requiere mayor esfuerzo para abrir la puerta, con la silla o sin ella? ¿Por qué? d) Mencionen al menos dos causas que puedan hacer que la puerta se mueva sin tocarla. Justifiquen su respuesta. 7. Intercambien sus opiniones sobre: a) ¿Cuándo es más conveniente jalar y cuándo, empujar una puerta? b) ¿Hacia dónde debe abrirse la puerta de una salida de emergencia? c) Para producir un cambio en el estado de movimiento de la puerta, ¿requirieron hacer contacto con ella o es una interacción que puede hacerse a distancia? d) ¿Cómo le podrían llamar a la interacción que provoca el movimiento de un objeto?

ido nto de un re lo aprend b so n ió de movimie x e o fl d a Re st e l e n onsidera do cambio e magnitud. C to a e rt u ie q c s e e d b n Ahora sa blema. interacció solver el pro re ieres de una l u a q re to n to ie je b o nocim rías este co cómo aplica 102

CIENCIAS

II

Para terminar Lean el texto. Pongan atención en los tipos de fuerzas existentes. Texto de formalización

¿Qué produce los cambios? Cada vez que algún cuerpo cambia su estado de movimiento o su forma, es

necesariamente a causa de que sobre él actúa algo que llamaremos fuerza. No puede ocurrir un cambio sin su intervención, ya sea en un balón de futbol, una mesa, el océano, las estrellas o las naves espaciales. Puede decirse, entonces, que las fuerzas son el motor del Universo. Las fuerzas se clasifican, según la forma en que operan, en: fuerzas de contacto y fuerzas a distancia. Tabla de los efectos de las fuerzas de contacto Características Requieren que los objetos involucrados en la interacción se toquen, es decir, entren en contacto físico. Son percibidas directamente por nuestros sentidos, por lo que son del orden de lo macroscópico. Pueden operar jalando, o empujando, presionando, deformando e incluso mediante choques. Se les llama también fuerzas mecánicas.

Cambios en el movimiento de los cuerpos

Ilustraciones:

Aceleración: Paso de una rapidez pequeña a una rapidez grande. Un caso particular es cuando se pasa del reposo al movimiento, es decir, cuando un objeto empieza a moverse. Frenado o desaceleración: Paso de una rapidez grande a una rapidez pequeña. Un caso particular es cuando se pasa del movimiento al reposo, es decir, cuando un objeto se detiene. Desviación: Cambio en la dirección en la que se mueve un objeto.

Deformación: Cambio en la forma o el tamaño de un cuerpo.

Temporalmente: Cuando la fuerza deformante deja de actuar, el cuerpo recupera su forma y tamaño originales. Permanentemente: Un resorte que se ha estirado tanto que ya no regresa a su forma original.

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secuenci a 6 Tabla de fuerzas a distancia Ilustraciones:

Características

Ejemplos de algunas fuerzas a distancia

Estas fuerzas no necesitan contacto físico entre los objetos involucrados, es decir, pueden actuar a través del vacío, que es donde no hay un medio material. Se les conoce como las interacciones fundamentales de la naturaleza. se muestran dos de ellas: la gravitatoria y la electromagnética.

Gravitatoria: Es la responsable de los movimientos y trayectorias de los cuerpos celestes. En nuestra Tierra, el efecto de esta fuerza sobre todos los objetos se llama peso y produce la caída de los cuerpos. Sólo es de atracción.

Electromagnética: Es la responsable de todos los fenómenos eléctricos y magnéticos que conocemos, como la interacción con los imanes. Su efecto se percibe como atracción o repulsión. Entre otros fenómenos, produce las fuerzas de fricción, que siempre se oponen al movimiento.

Es raro que sobre un objeto en particular, en un momento dado, actúe sólo una fuerza. Lo usual es que sobre cada objeto operen varias fuerzas a la vez. Cuando esto sucede, los efectos de todas ellas se acumulan y combinan; puede incluso suceder que las fuerzas que actúan simultáneamente sobre un objeto se compensen o se anulen mutuamente, dando como resultado un cuerpo en equilibrio de fuerzas, el cual tendrá un movimiento rectilíneo uniforme o estará en reposo, como si no estuviese sometido a la acción de fuerza alguna.

Un peine electrizado que atrae papelitos y un imán que atrae tachuelas.

n o de interacció Atracción: Tip tos je b o s cercar do que tiende a a un ravitatoria de g za er Fu : so Pe un cuerpo. planeta sobre n o de interacció Repulsión: Tip lejar entre sí a que tiende a a dos objetos. Cuerpo 1

Interacciones electromagnéticas

Cuerpo 2

Las deformaciones causadas por las fuerzas de contacto pueden ser temporales o permanentes.

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Las fuerzas de contacto y la fuerza de fricción son en realidad manifestaciones de fuerzas eléctricas y magnéticas entre los objetos cuando éstos se aproximan mucho. En general, la fricción depende del grado de rugosidad o aspereza de las superficies que se acercan lo suficiente y la percibimos como rozamiento.

CIENCIAS

II SESIÓN 3

empleada lema; a pregunta o prob un a a iv at nt te a rmente. s: Es una respuest Elaborar hipótesi ación que debe ser probada posterio plic consiste en una ex

Nueva destreza

Actividad TRES Elaboren una hipótesis sobre las fuerzas que intervienen en los cambios del estado de movimientos. • Comenten: ¿Cuáles son las fuerzas que intervienen en el cambio de movimiento de un cuerpo? 1. Material a) Riel de 100 cm. Puede hacerse con una pieza plana de metal con bordes, o bien con tubos metálicos pegados en paralelo con cinta adhesiva. Hay que dejar entre ellos el espacio suficiente para el deslizamiento recto del balín, sin que pueda salirse a los lados ni hundirse. También pueden pegarse dos tiras o reglas de madera. b) Balín metálico. c) Juego de escuadras o transportador d) Cinta métrica. e) Recorte de franela o jerga de 60 cm de largo. f) Imán potente en forma de barra. 2. Procedimiento Experiencia A: Con un ángulo de inclinación fijo y diferente superficie de rodamiento. a) Coloquen el riel con una inclinación de 30°. b) Suelten el balín desde la parte superior del riel. c) Dejen que el balín continúe rodando sobre la mesa una vez que se deslizó por todo el riel (Caso 1). d) Pongan el recorte de tela y repitan los pasos b)y c) (Caso 2). e) Midan en centímetros la distancia recorrida sobre la mesa después de cada descenso.

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secuenci a 6 Experiencia B: Con un ángulo de inclinación fijo y diferente impulso inicial. a) Coloquen el riel con una inclinación de 0°. b) Empujen con diferentes fuerzas el balín desde la parte superior del riel (Casos 3-5). c) Dejen que el balín continúe rodando sobre la mesa una vez que se deslizó por todo el riel. Experiencia C: Colocando el riel a 45 grados, aplicando al móvil una fuerza externa. a) Sitúen el balín en la parte media del riel. b) Acerquen el imán al balín, sin tocarlo, de tal forma que logren mantenerlo quieto (Caso 6). c) Suban el balín por el riel atrayéndolo con el imán, pero sin tocarlo (Caso 7). d) Registren sus observaciones en sus cuadernos. 3. Resultados • Registren las distancias recorridas por el balín sobre la superficie de la mesa. Para ello utilicen los siguientes formatos: Experiencia A: Con un ángulo de inclinación fijo y diferente superficie de rodamiento.

106

CIENCIAS Inclinación Caso del riel

Manera en que inicia el movimiento y superficie empleada

1

30°

Sólo soltar. Sin tela.

2

30°

Sólo soltar. Con tela.

Distancia recorrida (cm)

II Fuerzas responsables

Observaciones

b) Experiencia B: Con un ángulo de inclinación fijo y diferente impulso inicial. Caso

Inclinación del riel

Manera en que inicia el movimiento

3

Horizontal (0°)

Con rapidez inicial pequeña.

4

Horizontal (0°)

Con rapidez inicial media.

5

Horizontal (0°)

Con rapidez inicial grande.

Distancia recorrida (cm)

Observaciones

Fuerzas responsables

c) Experiencia C: Colocando el riel a 45 grados. Caso

Inclinación del riel

6

45˚

7

45˚

Observaciones

Fuerzas responsables

107

secuenci a 6 4. Análisis de resultados • Respondan en sus cuadernos, de acuerdo con sus observaciones y mediciones: Experiencia A: a) ¿Por qué se frena el balín? b) ¿Qué tipo de fuerza frena al balín? Experiencia B: a) ¿Cómo consigues iniciar el movimiento con mayor rapidez? b) ¿Qué sucede cuando esta fuerza mecánica de inicio es mayor? c) ¿Qué tipo de fuerza es la mecánica? d) ¿Por qué el balín recorre una distancia mayor cuando la rapidez inicial es mayor?

La fricción juega un importante papel en la dificultad o facilidad para desplazarse.

Experiencia C: a) ¿Por qué se queda quieto el balín sobre el riel cuando le acercan un imán? b) ¿Qué tipo de fuerza ejerce el imán sobre el balín? 5. Comunicación • Elaboren un reporte en su cuaderno. Comparen sus resultados con los que obtuvieron otros equipos. Después: 1. Adviertan las semejanzas y las diferencias obtenidas. 108

CIENCIAS

II

2. Expresen sus opiniones sobre las siguientes cuestiones: a) ¿A qué se deben las diferencias, si es que las hay? b) ¿Qué fuerzas intervienen en los casos experimentados? c) ¿Estas fuerzas son de contacto o a distancia? Expliquen. d) ¿Cómo participa la fricción en estos casos?

Lo que aprendimos Resuelvo el problema “En un partido de futbol pones la pelota en movimiento para iniciar el juego, elevándola, y ves que luego cae; otras veces la haces avanzar a ras de suelo para pasársela a un compañero. Sabes también que, si nadie la recibe, después de un tiempo se detendrá en el campo de juego. ¿Qué se requiere para que la pelota se mueva de estas maneras?” Para resolver el problema: 1. Responde: ¿Qué se requiere para que la pelota se mueva de estas maneras? 2. Completa la tabla considerando lo siguiente: a) Asigna la fuerza y el tipo de fuerza causante del movimiento descrito. b) Fundamenta tu respuesta para cada caso.

Movimiento

Fuerza participante

Tipo de fuerza que actúa (de contacto o a distancia)

Elevar una pelota que está previamente en reposo.

Hacer caer una pelota que avanza en el aire.

Detener una pelota en movimiento.

3. Define con tus palabras el concepto de fuerza. 109

secuenci a 6

aprendido Reflexión sobre lo la secuencia abas al inicio de Revisa lo que pens el estado de de los cambios en as us ca s la e br etos. so rmación de losobj fo de la o o nt ie as y lo que movim tre lo que pensab en s ia nc re fe di ¿Existen ica tu respuesta. ahora sabes? Expl

Para qué me sirve lo que aprendí? Para recapitular el contenido de la secuencia consulten el programa: Las causas del movimiento en la programación de la red satelital Edusat.

El conocimiento de las fuerzas que participan en todos los movimientos ha ayudado a la humanidad a realizar con mayor facilidad muchas tareas, mediante el diseño y la construcción de máquinas que aprovechan las fuerzas naturales. 1. Pregunten a los adultos de su localidad cuáles son las máquinas que más se emplean diariamente. 2. Clasifíquenlas en: a) Máquinas mecánicas que sólo aprovechan las fuerzas de contacto. b) Máquinas eléctricas que utilizan las fuerzas a distancia de tipo electromagnético. 3. Mencionen dos ejemplos de fuerzas de contacto que actúan en una locomotora de vapor.

Ejemplos de máquinas mecánica y eléctrica. 110

CIENCIAS

II

Ahora opino que… Desde la antigüedad, se han utilizado animales en la molienda de granos, los cuales están atados a las pesadas piedras de las norias. 1. ¿De que otra manera se puede hacer esta labor aprovechando alguna de las fuerzas que existen en la naturaleza? 2. ¿Qué ventajas tiene emplear estas fuerzas? 3. ¿Qué otros ejemplos podrían mencionar donde se utilicen estas fuerzas? • Escriban sus respuestas en el cuaderno.

Para saber más… 1. Estrada, Alejandro Félix, et al. (2001). Lecciones de Física. México: CECSA. 2. Tagüeña, Carmen, et al. (1999). Física. México: Santillana. 1. Hacyan, Shahen. Las fuerzas de la naturaleza. ILCE. 22 de febrero 2007.

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/129/htm/sec_6.htm

111

secuenci a 7

¿Por qué se mueven las cosas? sesión 1

Para empezar Fuerzas ¡en acción! Lee el texto. • Antes de la lectura contesta: ¿Cómo se suman las fuerzas?

Texto introductorio

En nuestra vida diaria, las fuerzas están presentes en casi

todos los aspectos. Lo más frecuente es que sobre cada objeto actúen dos o más fuerzas simultáneamente. Por ejemplo, cuando un vendedor de camotes empuja su carrito cuesta arriba en una calle empinada, debe aplicarle una fuerza mecánica dirigida a lo largo del plano y apuntando hacia el punto más alto de la calle. Además de esta fuerza, sobre el carrito actúan por lo menos dos fuerzas más que dificultan su movimiento: la de gravedad, que siempre apunta hacia abajo, y la de fricción, entre las ruedas del carrito y el pavimento. Los efectos de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos no siempre son visibles pero están ahí. Si visitamos una ciudad grande, veremos edificios de varios pisos que, a diferencia del carrito, están en reposo. ¿Qué fuerzas actúan sobre un edificio? El peso es una de ellas. Pero, para que el edificio no se desplome debe existir al menos otra fuerza que contrarreste al peso. Estas fuerzas son producidas por los cimientos, las columnas o las trabes. ¿Qué otras fuerzas actúan a nuestro alrededor? Muchas, por ejemplo la acción del viento y de los movimientos del terreno producidos por las ondas sísmicas, son factores a considerar por quienes diseñan y construyen edificios. En el edificio actúan varias fuerzas simultáneamente y no hay desplazamiento o éste es mínimo… al menos, ¡eso es lo esperado! En cambio, en el carrito de paletas, el resultado de las fuerzas es un desplazamiento neto calle arriba.

Consulta en tu diccionario el significado de palabras como trabe.

112

El movimiento de este carrito de camotes es resultado de las fuerzas que actúan sobre él.

La estabilidad de esta torre, depende del equilibrio de las fuerzas que actúan sobre ELLA.

CIENCIAS

II

Ahora sabes que la fuerza es aquello que provoca un cambio en el estado de movimiento de los objetos. En esta secuencia conocerás las características de una fuerza y la manera en la que puedes representarla gráficamente. Valorarás este conocimiento para encontar fuerzas resultantes y predecir el movimiento de objetos en tu vida cotidiana.

Consideremos lo siguiente… A continuación se te presenta el problema que resolverás con lo que hayas aprendido durante esta secuencia.

Van a colocar una estatua en la plaza de tu comunidad. Es tan pesada que se necesitan dos grúas para levantarla hacia su pedestal. Una de las grúas ejerce una fuerza de 2 unidades en una dirección de 30°, mientras que la otra ejerce una fuerza de 2.5 unidades a 135°. Cuando se ponen en acción las grúas, ¿hacia donde se moverá la estatua? Utiliza herramientas gráficas para encontrar la magnitud, la dirección y el sentido de las fuerzas que aplican las grúas

135º

30º

Las grúas deben colocar la estatua en el pedestal. ¿Lo lograrán?

Lo que pienso del problema Contesta en tu cuaderno: 1. ¿Qué harías para que la estatua quede en el pedestal? 2. ¿Qué es lo que cambia el estado de movimiento de un objeto? 3. ¿Cómo puedes predecir hacia dónde se moverá un objeto? 4. ¿Cómo representarías gráficamente la fuerza que cada grúa aplica sobre la estatua? 113

secuenci a 7 Compartan sus respuestas sobre: 1. ¿Qué dificultades tuvieron para representar gráficamente las fuerzas que mueven la estatua? 2. ¿Se pueden combinar dos fuerzas en una sola? Si es así, ¿a partir de ésta se puede predecir hacia dónde se moverá la estatua? ¿Cómo?

Manos a la obra Actividad UNO Infiere la dirección del movimiento de un cuerpo. • Realicen la siguiente experiencia. 1. Comenten: ¿Cómo seleccionan las fuerzas más adecuadas para mover un objeto en una dirección particular? 2. Van a necesitar una mochila y una cuerda. 3. Elijan a tres compañeros para que hagan lo siguiente: a) Pasen al frente. b) Amarren entre dos compañeros la cuerda al asa de la mochila, dejando dos extremos libres. c) El tercer voluntario dibujará un esquema en el pizarrón indicando cómo deben aplicarse dos fuerzas sobre la mochila para subirla al escritorio. d) El resto del grupo hará una predicción sobre cómo se moverá la mochila aplicando las fuerzas representadas en el pizarrón. e) Al terminar la predicción, los dos voluntarios deben jalar las cuerdas en la dirección indicada en el esquema, sin modificarla. f) Los compañeros que jalaron la mochila deben comentar al grupo si consideran que aplicaron las fuerzas adecuadas para subir la mochila, o no. g) Realicen los ajustes necesarios al esquema y hagan una nueva predicción. h) Repitan la experiencia hasta que el esquema y las fuerzas reales aplicadas coincidan.

114

CIENCIAS

II

Comenten la experiencia: 1. ¿Qué ajustes hicieron al esquema original para lograr el movimiento deseado? 2. ¿Cómo representaron la cantidad de fuerza y cómo la dirección de la fuerza? 3. ¿ Se requiere aplicar siempre una fuerza para mover un objeto en reposo? Expliquen. 4. ¿Qué importancia tiene la dirección de aplicación de un conjunto de fuerzas en el resultado de un movimiento? 5. Escriban sus conclusiones en el pizarrón.

dido ma? bre lo apren erado. lver el proble so re ra a Reflexión so imiento esp p v o O N m U n d u a r id ra ctiv para log te sirve la A la del de la fuerza y lo u 1. ¿De qué g , sea igual a n á to l e je d b o ia n c u n a re la import licada sob • Considera a fuerza ap d a c e d n ió direcc sario que la 2. ¿Es nece ? Explica. movimiento Lean el texto. • Pongan atención en la representación de fuerzas mediante vectores. Texto de información inicial

¿Cómo se pueden representar las fuerzas? Ciertas cantidades en la física, llamadas escalares, quedan exclusivamente determinadas con

un número y una unidad de medida, como sucede con el tiempo. Así afirmamos que un suceso ocurrió en 2 horas. Otras cantidades en cambio, llamadas vectoriales, requieren además ,una dirección y un sentido para que queden totalmente definidas. Hemos mencionado en secuencias previas al desplazamiento y la velocidad, que son, por supuesto, cantidades vectoriales. Es claro que no es lo mismo caminar 5 kilómetros hacia el norte que 5 kilómetros hacia el sur. De la misma manera, no obtenemos el mismo resultado si lanzamos una pelota de básquetbol hacia la canasta del equipo contrincante que hacia la propia, aunque necesitemos la misma magnitud de fuerza para arrojarla. ¿Qué tipo de cantidad será entonces la fuerza? Es, también, una cantidad vectorial. Como la fuerza es un vector, se puede representar mediante una flecha cuya longitud indique qué cantidad de fuerza se aplica y cuál es su dirección y sentido. Cuando se ejercen diversas fuerzas sobre un cuerpo, una representación de vectores permite analizar qué efecto se producirá como resultado de aplicar todas las fuerzas simultáneamente. El punto de aplicación de cada fuerza está Punto de aplicación representado por el punto inicial de la flecha; la dirección es el ángulo que forma la flecha con el eje horizontal, el sentido es hacia donde apunta la flecha y 1 2 3 4 5 la magnitud de la fuerza, es proporcional al tamaño Este vector representa una fuerza de 5 unidades en total de la flecha, medido desde el punto de aplicación dirección horizontal hacia la derecha. hasta la punta de la misma, trazada en una escala apropiada de longitud.

115

secuenci a 7

Sobre esta pelota actúan dos fuerzas simultáneamente. Para analizarlas, podemos suponer que el punto de aplicación de ambas está en el centro del balón. Debe recordarse que dichas fuerzas no se encuentran en la pelota. Son consecuencia de la interacción, de la pelota con el jugador que trata de encestar, y la fuerza de gravedad, que es la interacción de la pelota con la Tierra.

La dirección del movimiento del objeto y de la fuerza aplicada por el sujeto, no siempre son iguales.

La dirección y el punto de aplicación sobre la bola de billar podría darnos una pista de hacia dónde se moverá después del tiro.

116

CIENCIAS

II

Comenten algunas ideas del texto. • Respondan en sus cuadernos: 1. Cuáles son las ventajas de usar flechas para representar a las fuerzas 2. Observen las imágenes que acompañan al texto. ¿La dirección del movimiento y de la fuerza aplicada siempre son iguales? Expliquen.

empleada odelos jar diagramas o m bu di o ar iz til U : tructuRepresentar den conceptos, es en pr m co se e qu as y ciclos para demostrar científicos, sistem os es oc pr , es on ci ras, rela os. biológicos o físic

Vínculo entre Secuencias Las características de magnitudes vectoriales como el desplazamiento y la velocidad se revisaron en la Secuencia 2: ¿Cómo se mueven las cosas?

Nueva destreza

Vínculo entre Secuencias Recuerda que los efectos que producen las fuerzas de contacto y a distancia sobre los objetos se describen en la Secuencia 6: ¿Por qué cambia el movimiento?

Actividad DOS Representen movimientos cotidianos utilizando vectores. 1. Observen las imágenes:

117

secuenci a 7 2. Representen en su cuaderno mediante vectores: a) Las fuerzas que actúan sobre los cuerpos. b) La dirección del movimiento al aplicar las fuerzas.

ido re lo aprend b de so n ió x e fl Re a propiedad n u s e o n a rz ción entre s que la fue e la interac d Ahora sabe a id d e m sino la ue pueden los objetos, n vectores q so s a rz e fu ellos. Si las s: e con flecha s del representars r las fuerza ta n se re p re odrías 1. ¿Cómo p a problem ? ayor? magnitud m a n u e n e ti erza 2. ¿Cuál fu bes? lo ¿Cómo sa

Sabías que… La magnitud de una fuerza se puede medir con un instrumento llamado dinamómetro, que consiste en un resorte con un gancho, sujeto a un marco con una escala graduada. La fuerza estira el resorte, y la longitud de estiramiento da una medida de la cantidad de fuerza que soporta el resorte. • Tu puedes aplicar el funcionamiento del dinamómetro en forma muy sencilla. Consigue un resorte y amárralo a tu mochila. Sostén la mochila colgando del resorte y observa que el estiramiento del resorte es mayor si el peso de la mochila se incrementa al cargar más objetos. Si mides la longitud del estiramiento, tendrás una idea de la cantidad de fuerza presente. En este caso, se trata del peso.

El dinamómetro es un instrumento para medir la fuerza.

118

CIENCIAS

II

Para terminar

SESIÓN 2

Lean el texto. • Antes de realizar la lectura comenten cómo pueden predecir el movimiento de un cuerpo al aplicarle dos fuerzas diferentes. Texto de formalización

¿Hacia dónde se moverá? Para saber la dirección del movimiento de un

objeto sobre el que se aplican varias fuerzas a la vez, hay que conocer primero las características de cada fuerza por separado. Conviene considerar al conjunto de interacciones como un sistema de fuerzas. Si dos fuerzas iguales en magnitud y dirección se aplican a un cuerpo en sentidos opuestos, éste no se moverá porque los efectos se contrarrestan. Un ejemplo de esto se tiene cuando dos personas jalan con la misma fuerza los dos extremos de una cuerda en sentido contrario. El análisis de las fuerzas que intervienen en un sistema es indispensable, por ejemplo, para los ingenieros que construyen puentes, edificios o plataformas petroleras, porque de sus predicciones y cálculos depende que las edificaciones se muevan controladamente o permanezcan estáticas.

Cualquier desequilibrio entre estas fuerzas provocará que el puente se desplace.

Las fuerzas sobre esta roca tenen un efecto nulo sobre su movimiento. 119

secuenci a 7 Cuando dos o más fuerzas se aplican en la misma dirección, sin importar que tengan sentidos contrarios, se denominan fuerzas colineales. En este caso, si tienen el mismo sentido, sus magnitudes se suman; si tienen sentido contrario, las magnitudes se restan, en forma similar a como se procede con la recta numérica.

+ F1 = − 4

= F2 = 5

=

Fi + F2 = − 4 + 5 = 1

R=1



Los vectores colineales se suman en forma algebraica.

Cuando las fuerzas aplicadas no son colineales, como ocurre con las fuerzas aplicadas sobre la estatua del problema, la fuerza resultante ya no es simplemente una suma aritmética. El procedimiento gráfico para sumar fuerzas en este caso es el método del polígono, que es el siguiente: 1. Cada fuerza se representa como una flecha. Puesto que las fuerzas se ejercen sobre el mismo punto de aplicación, éstas se trazan a partir de este punto, conservando las características de magnitud, sentido y dirección de las fuerzas que se quiere representar. 2. Después, se reacomodan las flechas de manera que se coloca la punta de una flecha con el extremo de otra, respetando la longitud, la dirección y el sentido originales. 3. La resultante se obtiene trazando una línea desde el origen de la primera flecha, hasta la punta la última flecha, es decir, del punto de aplicación al punto final de las fuerzas trazadas. a) F1

b)

F2

Método del polígono. La fuerza resultante es la misma, sin importar cuál de las dos fuerzas F1 y F2, se elija representar primero.

ido sultante re lo aprend b so n ió x er sobre la re ma? e d fl n Re re p a e d acabas del proble yuda lo que r la estatua e v o m ra a ¿En qué te a p a de fuerzas or qué? de un sistem estatua? ¿P la rá e v o m e se ¿Hacia dónd

Actividad TRES La resultante de una fuerza Calculen la resultante de un sistema de fuerzas. 1. Van necesitar hojas y transportador. 2. Analicen la situación que se presenta: Dos pescadores jalan una red llena de peces, aplicando fuerzas de la misma magnitud, pero con diferente dirección. Una de las personas jala la red con una fuerza de 5 unidades en una dirección de 45° hacia la lancha. Esta es la fuerza F1. El otro pescador, jala la red con la misma fuerza, pero con un ángulo de 90°. Esta es la fuerza F2. ¿Hacia dónde se moverá la red si la fuerza aplicada es de 5 unidades? 120

CIENCIAS

II

Imagen de una red que es jalada por dos pescadores hacia el interior de su lancha.

Dos fuerzas actuando sobre un objeto.

3. En sus cuadernos: a) Utilicen el método del polígono para obtener la resultante de las fuerzas aplicadas por los pescadores sobre la red. b) Indiquen la magnitud, dirección y sentido de la fuerza resultante que mueve la red. 4. Analicen lo obtenido: a) ¿El sentido del movimiento de la red es el mismo que el de las fuerzas aplicadas por los pescadores? Expliquen. b) Proporcionen un ejemplo en el que una fuerza suple la acción de dos fuerzas concurrentes simultáneas. Comparen sus respuestas. 1. Verifiquen con sus compañeros si obtuvieron el mismo vector resultante. 2. ¿Qué dificultades se presentaron al trazar cada una de las fuerzas? 3. ¿Por qué puede haber resultados diferentes en el vector resultante? 4. ¿Cómo se puede saber quién ha trazado correctamente sus vectores? 5. ¿Existe alguna otra interacción que no se haya considerado en este sistema de fuerzas?

Para conocer más sobre las fuerzas, puedes consultar el libro Fuerzas físicas, de las Bibliotecas Escolares y de Aula.

121

secuenci a 7

Lo que aprendimos Resuelvo el problema “Van a colocar una estatua en la plaza de tu comunidad. Es tan pesada que se necesitan dos grúas para levantarla hacia un pedestal. Una de las grúas ejerce una fuerza de 2 unidades en una dirección de 30°, mientras que la otra ejerce una fuerza de 2.5 unidades a 135°. Cuando se ponen en acción las grúas, ¿hacia donde se moverá la estatua? Utiliza herramientas gráficas para encontrar la magnitud, la dirección y el sentido de las fuerzas que aplican las grúas.”

135º

30º

Las grúas deben colocar la estatua en el sitio marcado por la cruz verde. ¿Lo lograrán?

Resuelve el problema en tu cuaderno. • Para ello, considera las siguientes cuestiones: 1. ¿Es adecuada la dirección en que las grúas aplican la fuerza sobre la estatua? 2. Elabora un diagrama de las fuerzas ejercidas por las grúas sobre la estatua. 3. Encuentra la fuerza resultante para verificar si la estatua llega al sitio marcado. Para recapitular el contenido de la secuencia consulten el programa: Las fuerzas y el movimiento en la programación de la red satelital Edusat.

rendido Reflexión sobre lo ap encia sobre la as al inicio de la secu ab ns pe e qu lo a vis Re arle dos fuerzas erá un objeto, al aplic ov m se e qu la en n direcció é? que pensabas? ¿Por qu diferentes. ¿Cambió lo

¿Para qué me sirve lo que aprendí? Seguramente han escuchado una frase popular que dice “más vale maña que fuerza”. 1. Expliquen en su cuaderno como se aplica esta frase al: a) Levantar una caja muy pesada con los brazos o empujarla por un plano inclinado. b) Evitar que un edificio se caiga o mueva de su lugar. 2. Utiliza en tu argumentación las nociones de magnitud, dirección y sentido de una fuerza. 122

CIENCIAS

II

Ahora opino que… Como parte de las fiestas de tu comunidad, se está llevando a cabo un rodeo y un toro se escapó. Ahora, para regresarlo de nuevo a la función, los vaqueros primero deben lazarlo de los cuernos, para después subirlo a la camioneta y regresarlo a la feria. ¿Cómo hacerlo? • Para resolver lo anterior: 1. Observen el dibujo. 2. Respondan: a) ¿Es recomendable utilizar una sola fuerza de gran magnitud para subir al toro a la camioneta? ¿Por qué? b) Por el contrario, ¿cuántas fuerzas serán necesarias para conducir al toro de manera que no se regrese ni pueda embestir a los vaqueros? ¿Por qué?

Para saber más… 1. Noreña, V. Francisco y Juan Tonda. (2002). El movimiento. México: SEP/Santillana. 2. Pogan, A. (2003). Fuerzas físicas. México: Ediciones Culturales Internacionales. 1. Diccionario de Física. (2004). Madrid: Oxford-Complutense. 2. Noreña, V. Francisco. (2002). Física en Imágenes. México: Santillana. 3. Porter, A. (2005). Cómo funcionan las cosas. México: McGraw-Hill Interamericana. 1. Aristizábal, D. (2004). Suma de vectores por el método del polígono. Universdad Nacional de Colombia. 23 de febrero 2007.

http://www.unalmed.edu.co/~daristiz/virtual/generalidades/applets/applet_suma_ polig/SumaPolig.htm 123

secuenci a 8

¿Cuáles son las causas del movimiento? sesión 1

Para empezar La inercia Lean el texto. • Antes de la lectura, comenten cómo es el movimiento que experimentan cuando un coche frena bruscamente.

Texto introductorio

Desde hace algunos años, las autoridades de tránsito han insistido en la importancia de usar el cinturón de seguridad para reducir el riesgo de daño o muerte en caso de accidente; para ello han realizado campañas informativas en diferentes medios como la televisión y los espectaculares. Con el mismo propósito, en algunas localidades, se han impuesto sanciones económicas a las personas que no lo usan. Acostumbrarse a emplear el cinturón de seguridad es importante porque permite que el conductor y los pasajeros se mantengan fijos en su asiento si el coche llega a chocar, frenar bruscamente o voltearse. Cuando un automóvil se detiene de improviso, los ocupantes tienden a continuar el movimiento que el auto tenía justo al momento del impacto, por lo que pueden golpearse con las partes internas del auto o salir por el parabrisas y sufrir lesiones graves o hasta la muerte. Es cierto que utilizando el cinturón, los riesgos de lesiones no se eliminan del todo, ya que los pasajeros pueden golpearse con otras partes del auto, como las ventanas laterales. Sin embargo, se ha comprobado que el cinturón permite salvar muchas vidas.

Consulta tu diccionario para encontrar el significado de palabras como robot.

124

Es importante que todos los pasajeros de un auto usen el cinturón de seguridad, para minimizar el riesgo de daño en caso de accidente. Los niños deben ubicarse en el asiento trasero, de preferencia en sillas especiales para ellos.

CIENCIAS

II

Ahora ya sabes que las fuerzas se asocian a interacciones. En esta secuencia identificarás a las fuerzas como agentes de cambio en el estado de movimiento de las cosas; estudiarás las leyes que explican el movimiento de todos los objetos a partir de las fuerzas que actúen en ellos. Valorarás la utilidad de conocer estas leyes, para describir y predecir el movimiento de los objetos que se encuentran a tu alrededor.

Consideremos lo siguiente… A continuación se presenta el problema que resolverás con lo que hayas aprendido durante esta secuencia. Vas a elaborar un cartel para promocionar el uso del cinturón de seguridad en los vehículos automotores en tu comunidad. Después de leer el cartel, tus vecinos tendrán información sobre: 1. Las fuerzas que actúan sobre el cinturón cuando un coche frena. 2. Para que se utilizan los cinturones de seguridad. • Elabora un cartel con la información adecuada y un dibujo que muestre las fuerzas que actúan cuando el coche frena sobre el cinturón de seguridad y la persona que lo usa.

Lo que pienso del problema Contesta en tu cuaderno: 1. ¿Cómo se puede cambiar el movimiento de un objeto? 2. ¿Qué variable física se asocia al aumento o disminución de la velocidad con respecto del tiempo? 3. ¿Qué se necesita para frenar un objeto en movimiento? Comenten: • En un choque frontal entre dos automóviles, ¿qué podría pasar si los pasajeros no tuvieran puesto el cinturón de seguridad?

Actividad UNO Identifiquen la propiedad de inercia de la materia. Para ello: 1. Contesten: ¿Qué pasará con los platos y vasos si tiran fuertemente del mantel que cubre la mesa del comedor? 2. Necesitan: a) Vaso de vidrio b) Varias monedas c) Naipe o carta de baraja; también pueden usar cualquier tarjeta recortada de una pasta de plástico para encuadernar o engargolar. 3. Realicen lo que se indica: a) Coloquen la moneda sobre la tarjeta y ésta sobre la boca del vaso. 125

secuenci a 8 b) Tiren lenta y lateralmente de la tarjeta. c) Observen lo que ocurre. d) Prueben con monedas de diferentes tamaños. e) Repitan la experiencia de observación, sólo que ahora den los tirones rápidamente. 4. Escriban en su cuaderno una descripción del movimiento de la tarjeta y la moneda cuando tiran de la tarjeta lentamente y cuando tiran de la tarjeta rápidamente. • Indiquen las diferencias que hayan notado en cuanto al movimiento de las monedas. Comenten: a) ¿Cómo se llama la propiedad por la que las monedas caen al vaso cuando se tira la tarjeta rápidamente? b) Otro ejemplo de la vida diaria en la que se presente esté fenómeno.

Sabías que… La inercia es la oposición de un objeto a cambiar su estado de movimiento. La inercia que presenta un cuerpo bajo la acción de una fuerza es directamente proporcional a la cantidad de materia del cuerpo. Por acuerdo, consideraremos que la inercia es equivalente a la cantidad de materia. Esto significa que la inercia es numéricamente igual a la masa y se le asignan las mismas unidades físicas. Por ejemplo, si jalamos horizontalmente con rapidez una tarjeta, con una moneda encima, la moneda no “responde” instantáneamente a la fuerza lateral; al quedar suspendida la moneda cae por su propio peso. Otro ejemplo que ilustra la inercia es el experimento de Galileo: si soltamos dos objetos de diferente masa desde la misma altura con respecto al suelo, ambos lo tocarán al mismo instante. Al objeto de mayor masa, la Tierra lo atrae mediante una fuerza de mayor magnitud que con la que atrae al objeto de masa menor. Sin embargo, el objeto de menor masa se opone menos a cambiar su movimiento que el de mayor masa. Ambos efectos se equilibran perfectamente y, como consecuencia de ello, ambos objetos describen exactamente la misma trayectoria tocando el suelo al mismo instante.

126

CIENCIAS

II

Actividad DOS

SESIÓN 2

Fuerza y aceleración Infieran la proporción que existe entre fuerza y aceleración. • Realicen la práctica. 1. Material a) Camión de juguete estilo carguero. Puede ser de cualquier diseño y material. Lo importante es que sus ruedas no se traben, que giren adecuadamente para que el camión avance. Colóquenle encima la pesa de 1 kg y 4 cuadernos para que tenga una masa de 3 kg aproximadamente. b) Cuerda o hilo grueso de seda de 5 m de largo. c) Polea. d) Juego de pesas de 100, 150, 200, 250 y 500 g. También pueden emplearse materiales como plastilina, piedras, etcétera. e) Cinta métrica o flexómetro. f) Cronómetro. 2. Procedimiento • Experiencia A: Misma masa del móvil diferente fuerza de tracción a) Coloquen en una mesa el camión y en el extremo de ésta fijen la polea. La polea debe estar fija y no girar; se utiliza para que se deslice la cuerda sobre ella. b) Midan la cuerda al tamaño de la mesa y dejen una longitud de 10 cm para que cuelgue la pesa por el extremo de la mesa. c) Pasen la cuerda por la polea y amarren un extremo de la cuerda al camión y el otro extremo a una pesa de 500 g. Procuren que haya una distancia de 3m entre las llantas delanteras del camión y el extremo de la mesa.

127

secuenci a 8 d) Hagan pruebas para elegir 5 pesas entre 150 y 400 g cuyo peso permita al camión recorrer 1 m en diferentes tiempos (o a diferentes velocidades). Si el camión no se mueve por la fricción, pongan una pesa de mayor masa, por ejemplo de 200 g. Si el camión se mueve demasiado rápido agreguen masa sobre el camión, poniendo pesas encima o cualquier otra cosa, como piedras pequeñas o cuadernos. e) Suelten la pesa y midan el tiempo que tarda el camión en recorrer la distancia de 1 m para cada una de las pesas 600, 650, 700 y 800 g; éstas ejercerán la fuerza de tracción. • Experiencia B: Misma fuerza de tracción diferente masa del móvil a) Repitan el procedimiento anterior con la última pesa, pero ahora coloquen piedras, plastilina, o cualquier otro objeto en el camión para aumentar su masa. 3. Resultados • Registren sus datos en tablas como las que se muestran: Tabla 1. Experiencia A Misma masa del móvil diferente fuerza de tracción Masa de la pesa de tracción ( kg)

Distancia

Tiempo t (s)

d (m)

Rapidez media d m V=( )( ) s t

1 1 1 1 1 Tabla 2. Experiencia B Misma masa del móvil diferente fuerza de tracción Camión

128

Masa de la pesa de tracción ( kg)

Distancia

d (m)

Masa original

1

Con aumento de masa

1

Tiempo t (s)

Rapidez media d m V=( )( ) s t

CIENCIAS

II

4. Análisis de resultados Experiencia A a) Cuando aumentan la masa de la pesa de tracción aumentan la magnitud de la fuerza que jala al camión, ¿qué ocurre con la rapidez media del camión? b) ¿El movimiento es acelerado? ¿Por qué? c) ¿Cuál es la relación de proporción; directa o inversa entre fuerza y aceleración? Justifiquen su respuesta. Experiencia B a) Manteniendo la masa de la pesa de tracción constante mantienen constante la fuerza que jala al camión ¿Al aumentar la masa del camión, que ocurre con su rapidez media? b) ¿El movimiento es acelerado? ¿Por qué? c) ¿Cuál es la relación de proporción directa o inversa entre aceleración y masa? 5. Comunicación • Elaboren un reporte de la práctica en sus cuadernos. Intercambien sus opiniones sobre: • La relación de proporcionalidad que encontraron entre la fuerza de tracción, la aceleración y la masa del camión.

Manos a la obra

El burro con carga de leña requiere mayor fuerza para acelerarse o para detenerse que el burro sin carga.

Lean el texto. Pongan especial atención en la causa de que un objeto se mueva. Texto de información inicial

¿Qué provocan las fuerzas? Las fuerzas operan como agentes de cambio del movimiento. Cuando se aplica una fuerza a un objeto, es

posible cambiar la manera en la que se mueve. No obstante, a veces, las fuerzas aplicadas sobre un objeto están dispuestas de manera que entre ellas se contrarrestan o equilibran; lo que da una fuerza resultante de magnitud cero y, en consecuencia, no cambiará la manera en la que el objeto se mueve. Para provocar el movimiento de un objeto, o alterar su movimiento actual, es necesario que la suma vectorial de las fuerzas aplicadas dé una fuerza resultante o neta con una magnitud diferente de cero. Por ejemplo, si juegas a tirar de una cuerda con un amigo, tú jalando de un lado y tu amigo del lado contrario, es posible que notes que en algún momento la cuerda no se mueve. Si no hay fuerza neta, es posible que el objeto se quede quieto o que tenga un movimiento rectilíneo uniforme. Esto se debe a la inercia; un objeto no cambiará su estado de movimiento hasta que una fuerza neta venza su inercia. Por ejemplo, si colocamos un objeto sobre una mesa y lo ponemos en movimiento, dentro de algunos instantes se detendrá. Sin embargo, si pulimos bien la mesa y repetimos la experiencia, notaremos que el objeto se desplaza llegando un poco más lejos. Es razonable suponer que si somos capaces de eliminar por completo la fuerza que proviene del rozamiento entre el objeto y la mesa, éste seguirá moviéndose indefinidamente, con la misma velocidad que nosotros le hayamos dado en el instante inicial. Con base en experiencias similares Isaac Newton desarrolló su primer principio o ley del movimiento:

129

secuenci a 8 Primera ley: Todo objeto permanece en estado de reposo o movimiento

rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza externa no equilibrada actúe sobre él. Newton reconoció que una fuerza neta es capaz de provocar un cambio en la velocidad de un objeto, o bien una aceleración. Por ejemplo, si jalamos una silla para sentarnos, con el jalón aumentamos la velocidad de la silla desde el reposo, en la dirección y sentido en que la jalamos, para ponerla en el lugar que queramos. Poner en movimiento cualquier cosa requiere de la acción de una fuerza neta. Este hecho lo formalizó Newton en su segunda ley del movimiento.

Segunda ley: Cuando actúa una fuerza neta sobre un cuerpo, éste tendrá

Primera ley de Newton.

una aceleración en la misma dirección y sentido que la fuerza neta aplicada. La magnitud de la aceleración del cuerpo, que se produce por la acción de la fuerza neta, es inversamente proporcional a la masa del cuerpo. Por ejemplo, si jalamos un carro de juguete de masa m = 20 kg que inicialmente estaba en reposo vi = 0 y con esto le damos una velocidad final vf de 2 m en un s tiempo t = 1s. El carro tiene una aceleración de a = 2 m2 . s La fuerza neta F que le aplicamos al bloque al jalarlo es de: kgm F = (20 kg) 2 m2   = 40 2 = 40 N s s

( )

La segunda ley de Newton puede expresarse matemáticamente con la ecuación:

F = ma

Con esta ecuación se define la unidad de fuerza; 1 kg m2 es igual a un newton, el cual s se denota con la letra N en honor a Isaac Newton.

( )

Las ciencias y la comunidad científica Newton no siempre fue un buen estudiante; al contrario, era un pésimo alumno, hasta que un día se peleó a puñetazos con el más bravo de su clase, quien además era un magnífico estudiante. Newton logró vencerlo y, para completar su triunfo, comenzó a destacar en la escuela. A partir de entonces su dedicación al trabajo nunca decayó hasta que llegó a la universidad. Durante dos años la universidad donde estudiaba Newton tuvo que cerrar por la expansión de una epidemia; fue en este lapso cuando desarrolló sus trabajos más importantes, sumergido en una profunda concentración. Mediante el análisis matemático de sus tres leyes, es posible conocer de antemano la trayectoria y la velocidad que tendrá, en cada instante, cualquier Isaac Newton nació en Inglaterra en 1642 y murió colmado de honores objeto que se mueva; conociendo su posición y velocidad iniciales. Newton en 1727. contribuyó al desarrollo de la ciencia de su época y de la nuestra legándonos, además de sus tres leyes del movimiento, la teoría de la gravitación universal y el cálculo diferencial e integral, entre sus contribuciones más importantes. Hoy en día se ponen en órbita satélites de comunicaciones con la ayuda de la teoría de la gravitación de Newton, y casi cualquier disciplina científica necesita de las herramientas del cálculo diferencial e integral para su funcionamiento. La dedicación y la constancia en su trabajo caracterizaron a Newton durante la mayor parte de su larga vida. 130

CIENCIAS

II

Respondan en sus cuadernos: 1. En todos los casos en los que actúa una fuerza no equilibrada o fuerza neta sobre un objeto, ¿se mueve? Justifiquen su respuesta. 2. Si al mismo tiempo se les aplica a dos objetos de diferente masa una fuerza igual durante toda su actuación, ¿éstos se moverán de manera similar? ¿Cuál de los dos acelerará menos? 3. Si comparamos dos objetos de distinta masa, ¿cuál de ellos presenta una mayor inercia? Justifiquen su respuesta.

Conexión con Matemáticas Para recordar qué significa que dos variables sean proporcionales revisen la Secuencia 7: Razones y proporciones de su libro de Matemáticas II.

4. Si sólo actuasen dos fuerzas de igual magnitud y perfectamente horizontales sobre un objeto en movimiento, una de ellas operando hacia la derecha y la otra hacia la izquierda, ¿cuál sería la trayectoria del objeto? 5. Un bloque de 10 kg de masa se halla en reposo. Calculen la magnitud de la fuerza necesaria para mover el bloque y que alcance una velocidad de 1.5 m en 1s. Si esta fuerza se aplica en dirección horizontal hacia la s izquierda, ¿hacia dónde se mueve el bloque? 6. Revisa las preguntas anteriores e identifica en qué momento se aplican las dos leyes de Newton estudiadas.

Vínculo entre Secuencias Recuerda que estudiaste la caída libre y la aceleración en la Secuencia 4: ¿Cómo caen los cuerpos?, y el concepto de velocidad en la Secuencia 2: ¿Cómo se mueven las cosas? La definición de fuerza la revisaste en la Secuencia 6: ¿Qué cambia el movimiento?

rendido Reflexión sobre lo ap y la aceleración, ción entre la fuerza la re la s ce no co e qu el problema. Ahora ayuda para resolver te to ien cim no co te ¿Cómo es

Las fuerzas pueden modificar el movimiento. 131

secuenci a 8 SESIÓN 3

Actividad TRES Tercera ley de Newton Analicen las fuerzas en la interacción entre dos sistemas.

1. Necesitan: a) Globo b) Patines, patineta o silla con ruedas. 2. Realicen lo que se indica: Experiencia A a) Inflen el globo sin llenarlo. b) Tapen con los dedos el orificio. c) Suelten el globo. d) Observen lo que sucede. Experiencia B a) Siéntense en la silla con ruedas y con las piernas flexionadas impúlsense con la pared. b) Observen lo que ocurre. 3. Comenten: a) ¿Por qué se mueve el globo cuando se deja salir el aire? b) ¿Por qué si empujan a la pared con los pies se van hacia atrás? c) ¿Cuáles son los sistemas que interactúan para cada caso? d) ¿Cómo se manifiesta la interacción entre los sistemas?

132

CIENCIAS

II

Para terminar Lean el texto. Pongan especial atención en la tercera ley de Newton. Texto de formalización

¿A toda acción corresponde una reacción? Cuando interactúan dos objetos entre sí para producir un movimiento, éste se produ-

ce por la participación de dos fuerzas. De hecho, en la Naturaleza todas las fuerzas se dan por pares, actuando sobre dos objetos distintos. Por ejemplo, los bomberos que apuntan al fuego con la tobera de una manguera gruesa deben sostenerla firmemente, ya que cuando el chorro de agua sale de ella, la manguera retrocede fuertemente. De la misma manera, cuando remamos en un bote impulsamos los remos hacia el frente golpeando con ellos una porción de agua; esto genera una fuerza que propicia que el bote se mueva hacia atrás. Cuando caminamos ejercemos una fuerza sobre el suelo y el suelo ejerce una fuerza sobre nosotros que nos impulsa hacia delante para poder avanzar. Comúnmente a una de las fuerzas del par se la identifica como fuerza de acción y a la otra como de reacción. Estos fenómenos, y muchos otros, se explican mediante la tercera ley de Newton:

3° ley: A toda fuerza de acción corresponde una fuerza de reacción de igual magnitud o intensidad, pero de sentido contrario.

La salida hacia abajo de gases generados en una combustión permite que el cohete tenga un impulso hacia arriba. El conocimiento de las leyes de Newton, en este caso la tercera, ha permitido un gran desarrollo tecnológico.

EL EL CABALLO CABALLO LISTO LISTO

Arre,caballo, jala el carro para que nos podamos ir

Jalar el carro sería un esfuerzo inútil

¿Cómo podré avanzar si el carro tira de mí hacia atrás?

Si yo jalo el carro, el tirará de mí a su vez por la 3˚ ley de Newton, las fuerzas son iguales y opuestas , asi que se cancelan, con una fuerza resultante de cero no nos moveremos

Física, Física, Física…

Física, Física, Física…

Sólo empuja el suelo hacia atrás, por la 3° ley de Newton el suelo te empujará hacia adelante con la misma fuerza

Para poder movernos tienes que ejercer una fuerza sobre el carro ¡tira de él y seguro lo lograremos!

Lo ves, ya avanzamos ¡esté suelo está haciendo un buen trabajo!

Elaboren en el pizarrón una lista de tres actividades cotidianas que se pueden explicar mediante la tercera ley de Newton. aprendido usas del Reflexión sobre lo a acerca de las ca ci en cu se la de io ncia abas al inic e sí. ¿Existe difere tr en s to je Revisa lo que pens ob s do o interactúan respuesta. movimiento y cóm ahora? Explica tu s be sa e qu lo y abas entre lo que pens 133

secuenci a 8

Lo que aprendimos Resuelvo el problema “Vas a elaborar un cartel para promocionar el uso del cinturón de seguridad en los vehículos automotores en tu comunidad. Después de leer el cartel, tus vecinos tendrán información sobre: 1. Las fuerzas que actúan sobre el cinturón cuando un coche frena. 2. Para que se utilizan los cinturones de seguridad. • Elabora un cartel con la información adecuada y un dibujo que muestre las fuerzas que actúan cuando el coche frena sobre el cinturón de seguridad y la persona que lo usa.” Resuelve el problema en tu cuaderno. Para ello, considera: Para recapitular el contenido de la Secuencia consulten el programa: Las leyes del movimiento en la programación de la red satelital Edusat.

1. ¿Por qué se comenzaron a utilizar los cinturones de seguridad? 2. ¿Qué fuerzas actúan sobre las personas que viajan en un coche que frena? Elabora un dibujo al respecto. 3. ¿Cambia el efecto sobre el cinturón si una persona tiene una masa pequeña y otra una masa grande? Explica. 4. Emplea en tu argumentación los conceptos de fuerza, aceleración e inercia.

imiento. ¿Qué aprendido cambios en el mov Reflexión sobre lo s lo e br so a ci en tu respuesta. secu s ahora? Justifica be as al inicio de la sa ab e ns qu pe lo e y qu es lo Revisa iste entonc entre lo que escrib diferencias notas

¿Para qué me sirve lo que aprendí? Contesta las siguientes preguntas en tu cuaderno: 1. Si vas en tu bicicleta y ves a corta distancia un obstáculo en tu camino, ¿aplicarías los frenos inmediatamente o hasta que casi tocas el obstáculo? ¿Por qué? 2. ¿Qué ley de Newton explicaría por qué un mesero muy hábil no desacomoda los platos que están sobre la mesa si tira fuerte del mantel?

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CIENCIAS

II

Ahora opino que… Un juego muy común entre los niños es el de las “coleadas”. Este juego puede ser peligroso debido a las fuerzas que actúan en él. • Responde en tu cuaderno: 1. ¿Dónde resulta más seguro colocarse: adelante o atrás de la fila? ¿Por qué? 2. ¿Es más seguro: jugar coleadas con patines? ¿Por qué? 3. Argumenta tus respuestas empleando los términos: fuerza e inercia.

Para saber más… 1. Diccionario básico de científicos. (1994). Madrid: Tecnos. 2. Breun, E. et al. (1997) Física para segundo grado. El universo de la ciencia. México: Trillas. 3. Pérez Montiel, H. (1999). Física, segundo año. México: Patria 4. Viniegra, F. (1991). Una Mecánica sin Talachas. México: Fondo de Cultura Económica. 1. Aguilar, G., et al. La mecánica de Galileo y Newton. ILCE. 22 de febrero de 2007. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/03/htm/sec_9. html 2. Alba, F. La mecánica. ILCE. 22 de febrero de 2007. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/23/htm/sec_ 6.htm 3. Hacyan, S. La relatividad de Galileo. ILCE. 22 de febrero de 2007. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/078/htm/sec_ 4.htm

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secuenci a 9

¿La materia atrae a la materia? sesión 1

Para empezar Lee el texto. • Antes de la lectura, recuerda lo que sabes del Sistema Solar.

Texto introductorio

Se supone que nuestro Sistema Solar se formó hace

4,600 millones de años por la acumulación de una nube de gas y polvo que también dio origen al Sol. Ocho planetas giran alrededor del Sol siguiendo trayectorias elípticas, aunque prácticamente son circulares. Los planetas se dividen en dos grupos: interiores y exteriores. En orden creciente de su distancia al Sol, en el primer grupo se encuentran Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. En el segundo grupo Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Entre los dos grupos se encuentra un cinturón de asteroides que, al igual que los planetas, también giran en torno al Sol siguiendo trayectorias prácticamente circulares. De los planetas interiores La Tierra y Marte poseen satélites o lunas, que se mueven circularmente en torno a ellos. Los planetas exteriores son gaseosos y gigantescos, tienen anillos compuestos por millones de partículas de hielo y polvo. Desde luego, los anillos más espectaculares son los de Saturno. Además de los anillos, los planetas exteriores tienen satélites o lunas que giran a su alrededor. En las afueras del Sistema Solar se halla la nube de Oort, donde se concentra gran cantidad de cometas. En ocasiones viajan hacia el centro del Sistema, lo que permite que veamos su espectacular cauda. Algunos de ellos describen órbitas elípticas en torno al Sol, como los planetas. El cometa más conocido es el de Halley, que pasa cerca de la Tierra cada 76 años. Consulta tu diccionario para encontrar el significado de palabras como cometa.

136

Planetas del Sistema Solar.

Nuestro Sistema Solar es un sistema complejo y fascinante, con planetas, asteroides y cometas, entre otros cuerpos celestes.

CIENCIAS

II

Sabías que… Hasta hace algunos años a Plutón se le consideraba un planeta del Sistema Solar, pero desde 2006 Plutón es considerado el planeta menor número 134,340, según el Minor Planet Center. Plutón no se encuentra en el mismo plano, en el que están las órbitas de los demás planetas. De hecho, por un tiempo Plutón se encontraba entre Urano y Neptuno. Estas son las razones principales por las cuales ya no se le considera un planeta del sistema solar. Ahora ya conoces distintos tipos de movimiento y su relación con las fuerzas. En esta secuencia podrás explicar, a partir de la Ley de la Gravitación Universal, el movimiento de cuerpos celestes y cómo se provoca nuestro peso. Este conocimiento te servirá para valorar la participación de la fuerza de gravedad en algunos fenómenos que ocurren en nuestro planeta, así como la importancia que ha tenido la astronomía para algunas culturas del mundo.

Consideremos lo siguiente… A continuación se presenta el problema que resolverás con lo que hayas aprendido durante esta secuencia.

¿La fuerza que nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra y la que mantiene a los planetas moviéndose en torno al Sol? ¿Corresponden al mismo tipo de interacción?

Lo que pienso del problema Contesta en tu cuaderno: 1. ¿Cómo se le llama a la fuerza que nos mantiene sobre el suelo? 2. ¿De qué depende esta fuerza? 3. ¿Es lo mismo masa que peso? Justifica tu respuesta.

Manos a la obra Actividad UNO Describan las características del movimiento circular. Para ello: 1. Necesitan: a) Lata de aluminio de 355 ml; cualquier lata de refresco cumple con esta condición. b) 1.5 m de cuerda rígida; puede ser un mecate delgado para tender ropa. c) Abrelatas. d) Argolla; puede ser la de un llavero. La argolla es para evitar que te lastimes o te quemes el dedo mientras tiras de la cuerda. e) Cronómetro 137

secuenci a 9 2. Realicen lo que se indica: a) Quiten la tapa superior de la lata con el abrelatas. b) Hagan dos orificios en las paredes laterales de a la lata e introduzcan la cuerda por ellos. c) Jalen la cuerda un poco y hagan un nudo en forma triangular. d) Midan 30 cm desde el nudo y amarren ahí la argolla. e) Pidan la participación de un compañero y enrollen en la mano del compañero el resto de cuerda. f) El compañero introduce el dedo índice en la argolla. g) Ladeando el dedo horizontalmente, comenzará a darle vueltas a la lata. Debe darle exactamente 50 vueltas. Realicen esto con mucho cuidado para no golpear a un compañero. h) Midan el tiempo en que se completan las 50 vueltas. i) Repitan los pasos d a h para longitudes de 45, 50 y 60 cm desde el nudo y coloquen ahí la argolla.

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CIENCIAS

II

3. En su cuaderno: a) Expliquen cómo se produce un movimiento circular. b) Elaboren un círculo donde representen cuántas fuerzas existen en el movimiento circular y hacia dónde se dirigen. c) ¿Qué pasaría si se suelta la cuerda, mientras la lata se encuentra en movimiento circular? d) Si suponemos que los planetas se mueven en torno al Sol en una trayectoria circular y no hay ninguna cuerda que conecte al Sol con un planeta, ¿qué es lo que provoca que un planeta gire en torno al Sol? e) ¿Hubo diferencia significativa entre los tiempos que midieron para cada una de las longitudes de la cuerda? ¿A qué se debe? f) Describan lo que sintieron en el dedo al girar la lata y cambiar las longitudes de la cuerda. Intercambien sus puntos de vista acerca de lo siguiente: 1. ¿Cuál sería la trayectoria de un planeta si no hubiese ninguna fuerza actuando sobre él? 2. No hay una cuerda que sujete a los planetas con el Sol, entonces: ¿Qué los mantiene en su órbita? 3. ¿Cuál de las leyes de Newton explica este fenómeno? Comenten: • La trayectoria de un planeta en torno al Sol no es perfectamente circular; se desvía ligeramente describiendo una elipse ¿Cuándo se moverá más rápido un planeta, cuando esté más cerca o más lejos del Sol?

139

secuenci a 9 Lean el texto. Pongan atención en las características de la fuerza gravitacional. Texto de información inicial

¿Existe una fuerza de atracción en cualquier lugar del Universo? “La materia atrae a la materia en cualquier región del Universo”. Éste es el

principio de la gravitación universal de Newton. Toda la materia interactúa entre sí, y toda interacción se determina con una fuerza. Desde luego, la fuerza gravitacional depende de la cantidad de materia que poseen los objetos que interactúan, es decir, de sus masas. La interacción gravitacional se transmite a distancia. Por ejemplo, la fuerza de atracción gravitacional ‘Fg’, entre dos objetos de masas iguales m1 y m2 de 1 kg, que se encuentran separados a una distancia r de 1 m es de: Fg = 6.67x10-11 N . Podemos decir entonces que la interacción gravitacional depende de las masas y su distancia, aunque nunca deja de actuar sobre todos los cuerpos del Universo. mérico que universal: Valor nu ón ci ita av gr de e al que se Constant racción gravitacion at la de ad id ns te expresa la in amo cada uno objetos de un kilogr s do e tr en e uc od pr metro de distancia. separados por un

Isaac Newton descubrió la ley de la gravitación universal apoyándose en los trabajos desarrollados por Kepler y Hooke, entre otros. Newton sintetizó las órbitas elípticas de Kepler con la fuerza “centrífuga” de Hooke. Es decir que reunió por lo menos dos siglos de creación y desarrollo científico en una teoría magistral, que sigue vigente hasta nuestros días.

Actividad DOS Infieran cómo depende la fuerza de interacción gravitacional de la distancia que separa a dos objetos de la misma masa.

1. Se han medido las fuerzas de interacción gravitacional entre dos masas iguales en función de la distancia que las separa. Los datos se resumen en la siguiente tabla. Distancia r (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 140

Fuerza gravitacional F ( N) 100.00 25.00 11.11 6.25 4.00 2.78 2.01 1.56 1.23 1.00

CIENCIAS

II

2. Elaboren una gráfica de fuerza contra distancia con estos datos. F(N) 100

80

60

40

20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

r(m)

3. Contesten a partir de la curva que corresponde a esta gráfica: a) ¿Cuál es la relación de proporcionalidad, directa o inversa, entre la fuerza gravitacional y la distancia? b) ¿En qué momento llega a desaparecer la interacción gravitacional? Contesten en su cuaderno: 1. ¿Existe interacción gravitacional entre dos diminutas partículas de polvo? ¿Por qué? 2. ¿Es perceptible la interacción gravitacional que existe entre dos camiones de 5 toneladas separados a 1 m de distancia? Expliquen. 3. ¿La fuerza de atracción gravitacional que ejercen sobre ti los objetos que te rodean impedirá que te separes de tu compañero o compañera de banca? ¿Por qué?

ido re lo aprend b so n ió x e fl lación Re mente la re a c fi rá g ir b escri atracción Acabas de d la fuerza de y ación ia c n ta is esta inform e rv entre la d si te é u al. ¿De q gravitacion a? r el problem para resolve

Vínculo entre Secuencias Recuerda que el concepto de fuerza lo revisaste en la Secuencia 6: ¿Por qué cambia el movimiento? y en la Secuencia 8: ¿Cuáles son las causas del movimiento?

141

secuenci a 9 Sabías que… Newton dedujo que la fuerza de interacción gravitacional es proporcional al producto de las masas de los objetos que interactúan, e inversamente proporcional a la distancia que los separa elevada al cuadrado. Esto significa que si los cuerpos tienen masas grandes, como los planetas, se atraerán considerablemente entre sí, por el contrario, si la distancia que los separa es muy grande, entonces la fuerza entre ellos será muy débil. Newton introdujo una constante de la gravitación universal ‘G’, cuyo valor es pequeñísimo, precisamente: 2 G = 6.67×10-11 Nm2 kg Por lo anterior, la fuerza de atracción gravitacional está dada por la siguiente ecuación: F= Gm21m2 r

Para terminar

SESIÓN 2

Lean el texto • Antes de leer el texto, contesten la pregunta del título. Texto de formalización

¿Pesamos lo mismo en la Tierra que en la Luna? El peso es la fuerza que nos atrae hacia el centro de la Tierra y nos mantiene sobre el suelo. Podemos calcular matemáticamente nuestro peso con la segunda ley de Newton. Hay que multiplicar nuestra masa m por la aceleración que produce la gravedad sobre cualquier objeto que esté cerca de la superficie de la Tierra, y que tiene un valor de g = 9.8 m2 . s Por ejemplo, si una persona tiene una masa de 60 kg su peso sobre la superficie de la Tierra es de: Fg = mg = (60 kg) (9.8 m2 ) = 588 N s También en los demás planetas que conforman nuestro Sistema Solar experimentaríamos peso, sólo que sería distinto al que experimentamos en la Tierra, ya que los otros planetas tienen distinta masa y tamaño, por esta razón la aceleración de la gravedad cerca de sus superficies serían distintas a la de la Tierra. La aceleración de la gravedad sobre la superficie de un planeta depende de su masa y de su radio, es decir de la distancia desde el centro del planeta hasta su superficie. El peso es una fuerza que nos atrae hacia el centro de nuestro planeta y nos mantiene sobre su superficie.

Comenten si pesamos lo mismo en la Tierra que en la Luna. • Expliquen sus respuestas empleando los conceptos de masa y aceleración de la gravedad. 142

CIENCIAS

II

Actividad TRES El peso y la gravedad Calculen el peso de una persona en diferentes cuerpos del Sistema Solar. • Realicen lo que se pide: 1. Completen la tabla calculando el peso de una persona de 60 kg de masa en cada uno de los cuerpos celestes. 2. Tomen en cuenta la aceleración de la gravedad que existe sobre la superficie de cada cuerpo celeste. Cuerpos celestes

Aceleración de la gravedad en la superficie del planeta gp ( m2 ) s

Peso de una masa de 60 kg en el planeta Fp (N )

9.81

588

Tierra

3.63 Mercurio

8.87 Venus

3.71 Marte

1.62 Luna

419 Júpiter 143

secuenci a 9 3. Con los cálculos que han realizado, ¿en cuál de los cuerpos del Sistema Solar pesaríamos más y en cuál menos? 4. ¿Cuáles pueden ser las diferencias más significativas entre esos dos cuerpos celestes para provocar la enorme diferencia de pesos? 5. ¿En qué planeta nuestro peso sería más cercano al que experimentamos en la Tierra

Las ciencias y la comunidad científica Entre las culturas antiguas que tuvieron un gran desarrollo en astronomía destacan la maya, la inca y la griega. Existen códices mayas que indican que esta cultura tenía un calendario basado en el movimiento del Sol. El calendario de los incas, por su parte, constaba de un año solar de 365 días, repartidos en 12 meses de 30 días y con 5 días intercalados. Los aztecas, a su vez, propusieron un calendario solar conformado por un círculo exterior de 20 áreas que representaban los días de cada uno de los 18 meses que contenía su año. Los griegos fueron, quizá, la cultura europea que en la antigüedad desarrolló más la astronomía. Por ejemplo, Ptolomeo pensó que la Tierra era el centro del Universo y construyó un modelo matemático para explicar el movimiento de los astros que se conocían en su época. Este modelo fue aceptado por los estudiosos del cielo hasta la época del Renacimiento, en el siglo XV de nuestra era. Un sacerdote polaco de esa época, Nicolás Copérnico, cambiaría para siempre nuestra percepción del lugar que ocupa la Tierra en el Universo, al afirmar que el Sol es el centro del Sistema Solar.

La astronomía ha sido muy importante desde la antigüedad hasta nuestros días. Algunos pueblos tenían calendarios basados en el movimiento del Sol.

144

CIENCIAS

II nal

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Lo que aprendimos Resuelvo el problema “¿La fuerza que nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra es la misma que mantiene a los planetas moviéndose en torno al Sol? ¿En qué son similares esas fuerzas y en qué se diferencian?”. Resuelve el problema en tu cuaderno. • Para ello, considera las siguientes cuestiones: 1. ¿Qué dirección y sentido tiene el peso de una persona o, en general, de cualquier objeto? 2. ¿Cómo será el movimiento de un objeto, inicialmente en reposo, situado cerca de un planeta? 3. ¿La fuerza que nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra y la que mantiene a los planetas moviéndose en torno al Sol corresponde a la misma interacción? Explica. 4. ¿La fuerza de gravedad actúa como una fuerza centrípeta?

145

secuenci a 9 5. ¿Por qué la Luna no cae encima de la Tierra? 6. ¿Por qué los planetas no chocan entre sí? Para ampliar sus respuestas al problema: 1. Observen el siguiente video.

La gravitación universal 2. Expliquen en su cuaderno: a) ¿En qué se parecen la caída libre, el peso de los objetos y las fuerzas de atracción entre los planetas? b) Las mareas se producen por la interacción gravitacional que existe entre la Luna y la Tierra. ¿Qué sucedería si la masa de la Luna fuera el doble de lo que es?

Para recapitular el contenido de la secuencia consulten el programa: ¿La materia atrae a la materia? en la programación de la red satelital Edusat.

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¿Para qué me sirve lo que aprendí? En los Juegos Olímpicos existe una prueba que consiste en lanzar un disco de 2 kg lo más lejos posible. Los lanzadores giran sobre sí mismos antes de extender su brazo y lanzar el disco. • Elaboren un texto en su cuaderno que explique por qué el atleta gira para lanzar el disco.

Ahora opino que… ¿Habría sido posible realizar el viaje a la Luna, en la misión Apolo XI de 1969, sin un conocimiento mínimo de la gravitación universal? • Intercambien sus opiniones al respecto.

146

CIENCIAS

II

Para saber más… 1. Fierro, Julieta y Miguel A. Herrera. La familia del Sol. ILCE. 26 Febrero 2007. http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/062/htm/familia.htm 2. Instituto Superior de Ciencias Astronómicas. 2005. Espacio profundo. 26 Febrero 2007. http://www.observatoriomontedeva.com/mpc/mpc.html 3. León-Portilla, León. Astronomía y cultura en Mesoamérica. ILCE. 26 Febrero 2007 http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/04/html/sec_5. html

147

secuenci a 10

¿Cómo se utiliza la energía? sesión 1

Para empezar Fuentes de energía Lee el texto. • Antes de leer el texto contesta: ¿Qué fuentes de energía conoces?

Texto introductorio

Una de las fuentes de energía que más se utiliza en la actualidad

es el petróleo. Aunque su uso tiene dos inconvenientes: 1) cuando se quema produce gases que en grandes cantidades contaminan la atmósfera; 2) este combustible fósil, que se produjo hace millones de años en condiciones muy particulares, tarde o temprano, se acabará. Sin embargo, se puede utilizar la energía que proviene de otras fuentes, como el Sol. Hoy en día, es posible convertir la luz en electricidad mediante paneles solares instalados en las azoteas de casas y edificios, o bien en satélites y estaciones espaciales. Por otro lado, desde hace muchos años, se construyeron en Europa grandes molinos de viento para moler semillas; el diseño de estos molinos ha ido cambiando y también su uso. En la actualidad, se emplea la energía del viento para producir electricidad. Incluso la basura puede convertirse en una fuente de energía. Por ejemplo, el metro de la ciudad de Monterrey usa energía generada por el gas metano que se obtiene de la descomposición de la basura orgánica. Sin embargo, el uso excesivo de este gas afecta el ambiente, de manera que debe estar controlado. Lo importante es que estas fuentes de energía, a diferencia del petróleo, son ilimitadas y resultan más “amigables” con el ambiente.

Paneles solares.

Algunos barcos se impulsan con el viento.

Consulta tu diccionario para encontrar el significado de palabras como panel.

Se utiliza la energía radiada por el Sol para cocer los alimentos. 148

Los molinos de viento se han utilizado desde hace mucho tiempo, aunque su diseño ha cambiado.

CIENCIAS

II

Ahora conoces la participación de las fuerzas en los cambios ocurridos en la materia. En esta secuencia, aprenderás diferentes usos dados al término energía, así como las formas en que ésta se manifiesta y se transforma. Valorarás las distintas fuentes de energía que utilizamos para satisfacer nuestras necesidades energéticas.

Consideremos lo siguiente… A continuación se presenta un problema que resolverás con lo que hayas aprendido durante esta secuencia.

Identifica cuáles son las formas de energía que se usan en tu escuela. ¿Qué fuentes de energía utilizarías para satisfacer las necesidades actuales y por qué?

Lo que pienso del problema Contesta en tu cuaderno: 1. ¿Cuántas formas de energía conoces? ¿Cuáles son? 2. ¿Qué fuentes de energía hay en tu comunidad? 3. ¿Qué formas de energía son las que más se utilizan en tu escuela?

Manos a la obra Actividad UNO Identifiquen los distintos significados de la palabra energía. 1. Comenten: a) La palabra energía se utiliza no solamente en la física sino en la vida diaria; ¿es diferente el significado que se le da en ambos casos? Expliquen. b) ¿Ocurre lo mismo con otros términos físicos como la aceleración? Expliquen. 149

secuenci a 10 2. Identifiquen en los siguientes enunciados: a) El significado que se le da a la palabra energía en cada oración. b) El contexto en que se usa la palabra energía: científico o no. c) Fíjense en el ejemplo. Oraciones que emplean la palabra energía

Significado dado a la palabra energía

Se refiere al estado de A. Hoy estoy lleno de energía, por mis ánimo que da el amor, venas corre la pasión por ti. el cariño.

Contexto de uso: científico o no científico

No científico

B. Un automóvil que aprovecha la energía de desechos animales y vegetales, es la sensación de la feria de agro-negocios del sur de Brasil.

C. El defensor le quitó el balón con mucha energía.

D. Miles de personas acuden a sitios arqueológicos en todo el país para cargarse de energía positiva con la llegada de la primavera. E. Un rayo cae sobre un árbol, la energía eléctrica se transforma en calor y luz cuando este se incendia.

dido bre lo apren dos al Reflexión so nificados da g si s te n re no e ces dif guaje cotidia n le l Ahora cono e n e to rgía, tan término ene científico. si es como en el ara explicar p to n ie im c e cono a para 1. Utiliza est lizar la energía positiv ti u de tu en o no posible ecesidades energéticas n s satisfacer la . la la escue dará a uesta te ayu sp re tu e u q 2. Recuerda roblema. p l e r resolve 150

Intercambien sus opiniones sobre: 1. Las diferencias que encontraron en el significado de la palabra energía en los dos contextos. 2. Las ventajas y las desventajas de que una palabra tenga diversos significados.

CIENCIAS

II

Lean el texto. Durante la lectura, pongan atención en las distintas formas de energía que existen. Texto de información inicial

¿La energía se transforma? Vivimos en un mundo en el que todos sus elementos, se

interrelacionan de alguna manera. Prácticamente en cualquier fenómeno que ocurre a nuestro alrededor existen transformaciones de energía. Por ejemplo, las plantas obtienen del Sol la energía que necesitan para producir su alimento. También nuestras casas son un buen ejemplo, pues ahi se transforma la energía eléctrica en otras formas de energía: cuando encendemos el radio, la energía eléctrica se convierte en energía sonora; al usar la licuadora, la energía eléctrica se transforma en energía mecánica cinética, ya que las aspas se mueven para triturar los alimentos. En casi todas las transformaciones de energía existe cierta “pérdida” en forma de calor, es decir, no puede aprovecharse toda la energía disponible en lo que se requiere. Por ejemplo, no toda la energía eléctrica que se usa para prender un foco En un motor existe transformacion de energía se transforma en energía luminosa o luz, lo que sería la función principal este dispositivo. Una buena parte de esa energía se transforma en calor; en este caso se le llama pérdida porque no sirve para iluminar. El calor que desprendemos cuando corremos, el rayo durante una tormenta, el funcionamiento del motor de un tractor, la percepción de la luz por nuestros ojos, las reacciones nucleares que suceden en las estrellas como nuestro Sol, son fenómenos que tienen algo en común: son transformaciones de energía.

Tabla 1. Algunas fuentes y formas de energía Fuente de energía

Forma de energía

Sol

Luminosa

Viento

Mecánica, en forma de energía eólica

Carbón, petróleo, gas natural

Química

Ejemplo

151

secuenci a 10 Tabla 1. Algunas fuentes y formas de energía Fuente de energía

Forma de energía

Ejemplo

Caídas de agua

Mecánica

Ilustración

Desechos orgánicos

Química

Átomos

Nuclear

Olas del mar

Mecánica

Emisor de sonido

Mecánica en forma de energía sonora

Ilustración

Intercambien sus opiniones sobre: 1. ¿Cuáles son las formas de energía que se mencionan en el texto?, ¿Cuáles de ellas se pueden percibir a través de los sentidos? Conexión con Ciencias I Para recordar las transformaciones energéticas que ocurren durante la fotosíntesis, consulta la Secuencia 15: ¿Cómo producen las plantas su alimento? de tu libro de Ciencias I.

2. ¿Cuál es la energía que está relacionada con el movimiento de las aspas de una licuadora? 3. Mencionen dos fenómenos naturales o procesos artificiales en los que existan transformaciones de energía.

estas a o lo aprendid on tus respu cia: c re r b o ri so te n n ió a x Refle gunta uno e la secuen esta a la pre el problema al inicio d u sp re tu ra pienso d ? 1. Compa s de Lo que ¿Cuáles son las pregunta s de energía conoces? rma spuesta. ¿Cuántas fo Explica tu re s? yudará a b sa n e p que cuencia te a lo se ió la b te m n a ra ¿C 2. rendas du do lo que ap to e u q a rd e a. 3. Recu r el problem para resolve

152

CIENCIAS

II

Las ciencias y la comunidad científica En 1938, el científico alemán Otto Hahn descubrió la fisión nuclear. Inmediatamente después, la comunidad científica internacional vislumbró la posibilidad de fabricar un reactor nuclear para aprovechar la energía atómica en la industria. En esa época, el proyecto de un reactor nuclear no tenía mucho apoyo del gobierno de Estados Unidos pero, ya iniciada la Segunda Guerra Mundial destinaron gran cantidad de recursos monetarios, técnicos y humanos para adelantarse a Alemania en el desarrollo de una bomba atómica. El proyecto culminó con la fabricación de dos bombas atómicas que fueron arrojadas sobre Japón al final de la guerra, lo que ocasionó la muerte de cerca de 190 mil personas.

En la fisión atómica se rompen los núcleos atómicos. Esto libera enormes cantidades de energía que puede aprovecharse en actividades de la vida diaria o para generar una enorme destrucción como el caso de la bomba atómica.

Sabías que… Si bien la energía nuclear es muy poderosa, genera desechos que son en extremo tóxicos. Hay que manejarla con mucho cuidado para evitar accidentes como el que ocurrió en Chernobyl, Ucrania, el 26 de abril de 1986, cuando explotó uno de los reactores de la planta. Una década y media mas tarde la evaluación de víctimas totales por contaminación ascendía a decenas de miles. La radiación afectó a más de 300,000 personas que enfermaron de distintos tipos de cáncer. Las centrales nucleares permiten reducir la utilización de combustibles como el petróleo y son una alternativa para generar energía eléctrica limpia, porque no se producen emisiones de dióxido de carbono, que son el principal causante del efecto invernadero.

Central Nuclear Laguna Verde, Veracruz.

La única central nuclear que hay en nuestro país está en Veracruz, se llama Laguna Verde y cumple con las normas internacionales de seguridad.

Actividad DOS

SESIÓN 2

¿Cómo se transforma la energía? Describan las transformaciones de energía que se llevan a cabo en algunos fenómenos cotidianos.

1. Comenten si nuestros sentidos nos sirven para detectar la energía. 2. Enciendan la televisión del salón:

153

secuenci a 10 a) ¿Qué forma de energía es la que permite que la televisión encienda? b) ¿Qué formas de energía pueden identificar una vez encendida la televisión? c) ¿Qué forma de energía reconocen al tocar la pantalla de la televisión después de estar un tiempo prendida? 3. Froten su goma de borrar en la mesa con fuerza: a) Qué forma de energía está relacionada con el movimiento? b) Toquen el lugar donde frotaron la goma, ¿qué forma de energía identifican? c) ¿De dónde proviene la energía necesaria para mover la goma? Intercambien opiniones sobre: 1. ¿Pudieron observar la energía eléctrica o más bien infirieron su transformación? Justifiquen su respuesta. 2. ¿Se puede observar la energía mecánica? ¿Por qué? 3. Imaginen un rayo en una tormenta. ¿Lo que ven es la energía eléctrica o alguna transformación de ella? Explica tu respuesta.

Conexión con Ciencias I Recuerda que la transformación de los alimentos durante la digestión se revisó en la Secuencia 13: ¿Cómo puede mi cuerpo utilizar lo que como? de tu libro de Ciencias I.

Un rayo en una tormenta eléctrica.

dido nifiesta la bre lo apren s que se ma la Reflexión so n e tidiana. s a rm las fo stra vida co r e a u c n fi ti n n e e s e id n ue es ansformacio de energía q Ahora pued tr s a s su rm e fo d s s la a un car ayudará energía y alg ocimiento para identifi respuesta te tu e u n q o c a e rd e Utiliza est ela. Recu n en tu escu za li ti u se s má l problema. a resolver e 154

CIENCIAS

II

Para terminar

SESIÓN 3

Lean el texto. Antes de iniciar la lectura, reflexionen sobre cómo usan la energía en su vida cotidiana. Texto de formalización

¿Se conserva la energía? Toda la materia y sus interacciones tienen asocia-

da energía. La energía puede entenderse como la capacidad de un sistema físico para cambiar o producir cambios en su alrededor. La materia es cercana a nuestra experiencia cotidiana, la podemos ver y tocar. No ocurre lo mismo con la energía; normalmente sólo podemos percibir con nuestros sentidos las transformaciones de la energía. Por ejemplo, la energía mecánica se puede transformar en calor que podemos sentir y la energía eléctrica se transforma en luz que podemos ver. La energía es un concepto muy importante para las ciencias. Se relaciona con diferentes fenómenos que ocurren a nuestro alrededor, como la luz, el calor, el movimiento, la electricidad y la energía química almacenada en los alimentos o en los combustibles. En la vida cotidiana también están presentes las transformaciones de energía. Por ejemplo, el tractor transforma la energía química del combustible en energía mecánica para levantar la cosecha. Cualquier forma de energía puede transformarse en otras, pero no puede crearse ni destruirse. A esto se le conoce como el Principio de Conservación de la Las olas y los ríos también tienen energía mecánica aunque no podaEnergía. mos verla, lo que sí podemos observar es su movimiento. Esta energía se aprovecha en algunos países para generar electricidad en centrales En un determinado sistema físico, por ejemplo el hidroeléctricas. péndulo de un reloj de pared, una galaxia o el Sistema Solar, pueden ocurrir cambios en cada uno de ellos: el péndulo se mueve de un lado a otro, los planetas completan sus órbitas; en el Sol ocurren explosiones al igual que en las estrellas que forman una galaxia. Sin embargo, para cada uno de estos sistemas existe una cantidad cuyo valor no cambia: la energía. Comenten: 1. Expliquen con sus palabras el Principio de Conservación de la Energía. 2. Cuándo frotas tus manos se calientan ¿estas creando energía en forma de calor? Explica. 3. ¿Cuáles de las formas de energía que aparecen en la Tabla 1. Algunas fuentes y formas de energía se pueden percibir con los sentidos?

155

secuenci a 10

Lo que aprendimos Resuelvo el problema “Identifica cuáles son las formas de energía que se usan en tu escuela. ¿Qué fuentes de energía utilizarías para satisfacer las necesidades actuales y por qué?”. Resuelve el problema en tu cuaderno. Para ello menciona: 1. ¿Cuántas formas de energía conoces? ¿Cuáles son? 2. Enlista las formas de energía que más se utilizan en tu escuela. 3. Escribe tres fuentes de energía adecuadas para tu escuela; toma en cuenta las condiciones que la rodean. 4. ¿Cuáles serían las transformaciones que se llevarían a cabo para obtener y utilizar esa energía en tu escuela?

Para recapitular el contenido de la Secuencia consulten el programa: Aprovechemos la energía en la programación de la red satelital Edusat.

, las formas ndido s la energía e re p é a u q lo re re b b so d. ¿Existe Reflexión so la secuencia ue hay en tu comunida . e d io ic in l a e pensabas de energía q ? Justifica tu respuesta Revisa lo qu anifiesta y las fuentes ora m ue sabes ah en las que se lo que pensabas y lo q ntre diferencia e

¿Para qué me sirve lo que aprendí? Describe las transformaciones de energía que ocurren en tu organismo. Para ello: 1. Cuenta el número de: a) Pulsaciones que percibes en la muñeca de tu mano cada 10 segundos. b) Respiraciones que tienes en 10 segundos. 2. Sal del salón y Corre tres vueltas alrededor de la cancha o del patio de la escuela y regresa a tu lugar. 3. Escribe en tu cuaderno: a) ¿Cuántas pulsaciones y respiraciones tienes ahora cada 10 segundos? b) ¿Por qué crees que el pulso aumenta? c) ¿De dónde obtuviste la energía necesaria para correr? d) ¿Tuviste alguna sensación de calor que no tenías antes de correr? e) ¿Qué transformaciones de energía se llevaron a cabo mientras corrías? f) Explica de qué manera se cumplió el Principio de Transformación de la Energía en tu cuerpo.

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CIENCIAS

II

Ahora opino que… Guerras como la del Golfo Pérsico, que se desarrolló hace unos años, han estado relacionadas con el petróleo. Algunos países buscan aumentar sus reservas de este recurso ya que es una fuente muy importante de energía. Si tuvieran que elegir entre las siguientes dos opciones, ¿cuál escogerían? a) Buscar más lugares donde extraer petróleo. b) Desarrollar tecnologías para explotar otras fuentes de energía. • Escriban sus argumentos en el cuaderno.

Lo que podría hacer hoy… Haz las siguientes actividades en tu casa: 1. Identifica todas las formas en que se consume energía en tu casa. 2. Cuantifica la cantidad de energía que se consume en un mes. Emplea para ello: a) El recibo de la luz. b) La cantidad de gas utilizado. c) La cantidad de otros combustibles usados, como la leña. 3. Contesta: ¿Qué medidas puedes poner en marcha en tu casa para ahorrar energía? 4. Realiza estas medidas en tu casa durante dos meses y observa los resultados, a partir del nuevo consumo registrado.

Para saber más… 1. Diccionario de física. (2004). Madrid: Oxford-Complutense.

1. Comisión Nacional para el Ahorro de Energía. 10 de enero de 2006. Desde el hogar. 22 de febrero de 2006. http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_9_desde_el_hogar 2. Greenpeace. Renovables 2005. 22 de febrero de 2007. http://energia.greenpeace.es/ 3. Tonda, Juan. El oro solar y otras fuentes de energía. ILCE. 22 de febrero de 2007. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/119/htm/orosolar.htm

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