En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Por qué los objetos siguen haciendo lo que ya estaban haciendo?
Un balón de futbol se queda quieto hasta que alguien lo patea, y una vez que está rodando, sigue rodando. Al terminar esta lección, deberías poder explicar la inercia, reconocer fuerzas balanceadas y equilibrio, y distinguir entre una ley científica y una teoría.
El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
Primera ley de Newton
- Lo que está en reposo sigue en reposo
- Lo que se mueve mantiene la misma velocidad
- A menos que actúe una fuerza no balanceada
La primera ley de Newton dice que un objeto en reposo sigue en reposo, y que un objeto en movimiento sigue moviéndose con la misma rapidez y en la misma dirección, a menos que actúe sobre él una fuerza no balanceada. Una pelota en el suelo no empieza a rodar sola. Un disco que se desliza sobre hielo liso sigue en línea recta. Los objetos no necesitan una fuerza para seguir moviéndose. Necesitan una fuerza para cambiar cómo se mueven.
Inercia
- Se resiste a un cambio en el movimiento
- Más masa, más inercia
- No es una fuerza
La inercia es la tendencia de un objeto a resistirse a cualquier cambio en su movimiento. Mientras más masa tiene un objeto, más inercia tiene. Si le das el mismo empujón a un balón de futbol y a una bola de boliche, el balón sale disparado mientras que la bola de boliche casi no se mueve. La bola de boliche también es mucho más difícil de detener una vez que está rodando. La inercia es una propiedad del objeto, no una fuerza.
Cuando viajas en un coche
- El coche frena: tú sigues de frente
- El cinturón te jala hacia atrás
- El coche da vuelta: tú sigues en línea recta
Cuando un coche frena, los frenos y el camino empujan el coche hacia atrás, así que el coche se frena. Al principio nada te empuja hacia atrás a ti, así que la inercia de tu cuerpo hace que sigas moviéndote hacia adelante. Por eso te vas hacia el tablero. Un cinturón de seguridad aporta la fuerza hacia atrás que te frena junto con el coche. En una curva cerrada, tu cuerpo sigue intentando ir en línea recta, así que te deslizas hacia afuera de la curva.
Objetos y sistemas
- Objeto: una sola cosa que estudiamos
- Sistema: un grupo de objetos
- Nosotros elegimos la frontera
Antes de ver las fuerzas, decidimos qué vamos a estudiar. Un objeto es una sola cosa, como un bloque. Un sistema es un grupo de objetos que tratamos como uno solo, como los dos bloques juntos. Las fuerzas entre los objetos dentro del sistema, como el enlace que jala A y B uno hacia el otro, no cambian el movimiento de todo el sistema. Solo lo cambian las fuerzas que vienen de afuera del sistema.
Fuerzas balanceadas
- Del mismo tamaño, en direcciones opuestas
- Se cancelan
- La velocidad no cambia
Cuando dos fuerzas sobre un objeto tienen el mismo tamaño y apuntan en direcciones opuestas, se cancelan. Las llamamos fuerzas balanceadas. Aquí, un jalón de 50 N a la izquierda y uno de 50 N a la derecha suman cero, como en un juego de jalar la cuerda en el que ningún equipo gana. Las fuerzas balanceadas no pueden cambiar la velocidad de un objeto.
Equilibrio
- Fuerzas balanceadas: equilibrio
- Puede estar en reposo
- Puede moverse con velocidad constante
Un objeto con fuerzas balanceadas está en equilibrio. Equilibrio no significa solamente estar quieto. Una lámpara colgada en reposo está en equilibrio, porque el jalón hacia arriba del cable (FT) equilibra su peso (Fg). Una caja que se empuja por el piso con velocidad constante también está en equilibrio, porque el empujón (Fapp) equilibra la fricción (Ff), y el empujón hacia arriba del piso (FN) equilibra su peso.
Leyes y teorías
- Ley: describe qué pasa
- Teoría: explica por qué
- Una teoría nunca se convierte en ley
En ciencias, una ley describe qué pasa, muchas veces como una regla o una ecuación. La primera ley de Newton describe cómo se mueven los objetos cuando las fuerzas están balanceadas. Una teoría explica por qué pasa algo. La teoría atómica explica el comportamiento de la materia con átomos. Las dos tienen el respaldo de muchas evidencias. Una teoría no se “gradúa” y se convierte en ley cuando reúne suficientes pruebas. Son tipos de ideas distintos que hacen trabajos distintos.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: El truco del mantel
Un mago jala de golpe un mantel de debajo de un juego de platos. Los platos casi no se mueven. Usa la inercia para explicar por qué.
Mostrar la solución
- Movimiento inicial: Los platos empiezan en reposo.
- Fuerzas: El mantel sale tan rápido que la fricción actúa sobre los platos solo una fracción de segundo.
- Inercia: Los platos se resisten a cualquier cambio en su movimiento, y esa fuerza diminuta y breve no puede cambiar mucho su velocidad.
- Respuesta: La inercia de los platos los mantiene en reposo, porque ninguna fuerza no balanceada grande actúa sobre ellos el tiempo suficiente para ponerlos en movimiento.
Con platos más pesados funciona todavía mejor, porque más masa significa más inercia.
Ejemplo 2: Una lámpara colgante
Una lámpara de 24 N cuelga en reposo de un cable. ¿Qué fuerza ejerce el cable sobre la lámpara?
Mostrar la solución
- Datos: Fg = 24 N hacia abajo. La lámpara está en reposo.
- Equilibrio: En reposo significa que las fuerzas están balanceadas, así que la fuerza hacia arriba debe ser igual a la fuerza hacia abajo.
- Ecuación: FT = Fg
- Respuesta: FT = 24 N hacia arriba
Ejemplo 3: Una caja con velocidad constante
Un trabajador empuja una caja hacia el este con una fuerza de 135 N. La caja se desliza por el piso con velocidad constante. ¿Cuál es la fuerza de fricción sobre la caja?
Mostrar la solución
- Datos: Fapp = 135 N al este. Velocidad constante.
- Equilibrio: Velocidad constante significa que las fuerzas están balanceadas.
- Ecuación: Ff = Fapp, apuntando en sentido contrario
- Respuesta: Ff = 135 N al oeste
Un error común es pensar que el empujón tiene que ser mayor que la fricción para que la caja siga moviéndose. Con velocidad constante, las fuerzas son exactamente iguales.
Ejemplo 4: ¿Cuál tiene más inercia?
Un coche de 1,200 kg está estacionado. Un ciclista de 65 kg pasa a 8.0 m/s. ¿Cuál de los dos tiene más inercia? Explica.
Mostrar la solución
- Datos: coche: m = 1,200 kg, en reposo. Ciclista: m = 65 kg, que se mueve a 8.0 m/s.
- Qué decide la inercia: La inercia depende solo de la masa. La rapidez no importa.
- Compara: 1,200 kg ÷ 65 kg ≈ 18, así que el coche tiene unas 18 veces más masa.
- Respuesta: El coche estacionado tiene más inercia, porque tiene mucha más masa.
Práctica
Explica el movimiento con la inercia, identifica las fuerzas que vienen de afuera de un sistema y usa las fuerzas balanceadas y el equilibrio para encontrar fuerzas desconocidas. Primero inténtalo por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas. Los PDF están en inglés.
- Hoja de práctica de Primera ley de Newton (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas de la hoja de práctica de Primera ley de Newton (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Sin fuerza no balanceada: la velocidad se mantiene igual
- La inercia se resiste al cambio; más masa, más inercia
- Equilibrio: en reposo o con velocidad constante
- Las leyes describen; las teorías explican
De vuelta a la pregunta esencial: los objetos siguen haciendo lo que ya estaban haciendo por la inercia. Sin una fuerza no balanceada, un objeto en reposo sigue en reposo, y un objeto en movimiento mantiene la misma velocidad. Más masa significa más inercia. A continuación, veremos los distintos tipos de fuerzas que actúan sobre los objetos de todos los días.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):
- HS-PS2-1: Analizar datos para respaldar la afirmación de que la segunda ley del movimiento de Newton describe la relación matemática entre la fuerza neta sobre un objeto macroscópico, su masa y su aceleración.
Ideas disciplinarias básicas: PS2.A Fuerzas y movimiento