¿Puedes con las leyes de Newton? Averigüémoslo.

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¿Crees que puedes manejar las tres leyes del movimiento formuladas por el gran físico Sir Isaac Newton? En este artículo te explicaré los fundamentos de las leyes de Newton y te propondré algunos ejercicios para que compruebes tu comprensión de cada una de ellas. Empecemos.

SECCIÓN 1. Introducción a las leyes de Newton

Las leyes del movimiento de Newton son un conjunto de tres leyes físicas que, juntas, describen el comportamiento fundamental de los objetos en movimiento. Describen cómo se mueven los objetos cuando están sometidos a una fuerza externa o cuando no hay ninguna fuerza presente. También se conocen como leyes de Newton de la mecánica clásica. Las tres leyes son:

• Primera ley del movimiento de Newton: Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento permanece en movimiento, a menos que actúe sobre él una fuerza externa.
• Segunda ley del movimiento de Newton: Para objetos con masa constante, la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.
• Tercera ley del movimiento de Newton: Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.

Estas leyes son increíblemente importantes en física y se utilizan para describir el movimiento de los objetos en diversas situaciones.

SECCIÓN 2. La primera ley del movimiento de Newton

La primera ley del movimiento de Newton establece que un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento permanece en movimiento, a menos que actúe sobre él una fuerza externa. Esta ley también se conoce como ley de la inercia. La inercia es la tendencia de un objeto a resistirse al cambio en su movimiento. Esto significa que si un objeto está en reposo, permanecerá en reposo hasta que actúe una fuerza sobre él, y si un objeto está en movimiento, permanecerá en movimiento hasta que actúe una fuerza sobre él.

SECCIÓN 3.1 Ejemplos de la primera ley de Newton

Veamos algunos ejemplos de la primera ley de Newton en acción.

• Si haces rodar una pelota por una mesa, seguirá rodando hasta que actúe sobre ella una fuerza, como la fricción.
• Si dejas caer un libro, permanecerá en caída libre hasta que llegue al suelo y actúe sobre él la fuerza de la gravedad.
• Si montas en bicicleta en línea recta, seguirá moviéndose en línea recta hasta que gires el manillar o frenes.

En todos estos ejemplos, el movimiento del objeto sólo se ve alterado por una fuerza externa.

SECCIÓN 3.2 Ejercicios para comprender la primera ley de Newton

Para comprender mejor la primera ley de Newton, veamos algunos ejercicios que puedes hacer para poner a prueba tus conocimientos.

• Coge un lápiz e intenta hacerlo rodar por una mesa. ¿Qué ocurre? ¿Rueda en línea recta? Si no es así, ¿por qué?
• Coge un coche de juguete e intenta hacerlo rodar por la mesa. ¿Rueda en línea recta? En caso negativo, ¿por qué?
• Coge una pelota de baloncesto y lánzala al aire. ¿Se mantiene en el aire hasta que actúa una fuerza sobre ella? ¿Por qué sí o por qué no?

Estos ejercicios pueden ayudarte a comprender cómo funciona la ley de la inercia y cómo las fuerzas externas pueden afectar al movimiento de los objetos.

SECCIÓN 4. La segunda ley del movimiento de Newton

La segunda ley del movimiento de Newton establece que los cambios en el momentum de un objeto durante un periodo de tiempo se deben a la acción de una fuerza neta durante dicho periodo.

Sin embargo, existe una forma resumida para estudiantes de secundaria, para objetos con masa constante, que establece que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. Esto significa que cuanto mayor es la fuerza neta, mayor es la aceleración, y cuanto mayor es la masa, menor es la aceleración. Esta ley puede expresarse matemáticamente como F = ma, donde F es la fuerza neta, m es la masa del objeto y a es la aceleración. Visita este artículo para profundizar más sobre la segunda ley de Newton: https://felixfisica.blogspot.com/2017/02/2da-ley-de-newton-fma.html

 

SECCIÓN 5.1 Ejemplos de la segunda ley de Newton

Veamos algunos ejemplos de la segunda ley de Newton en acción.

• Si empujas una caja por el suelo, se acelerará en la dirección en la que la empujas. Cuanto mayor sea la fuerza aplicada, mayor será la aceleración.
• Si empujas una carretilla cuesta arriba, se acelerará más lentamente que en terreno llano, debido al aumento de masa de la carretilla.
• Si lanzas una pelota de béisbol, se acelerará en la dirección del lanzamiento. Cuanto mayor sea la fuerza del lanzamiento, mayor será la aceleración.

En todos estos ejemplos, la aceleración del objeto es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a su masa.

SECCIÓN 5.2 Ejercicios para comprender la segunda ley de Newton

Para comprender mejor la segunda ley de Newton, veamos algunos ejercicios que puedes realizar para poner a prueba tus conocimientos.

• Toma dos objetos de masas diferentes, como una pelota y un ladrillo. Aplica la misma fuerza a cada objeto y observa la diferencia en la aceleración de cada objeto.
• Coge dos objetos de masas diferentes, como una pelota y un ladrillo. Aplica una fuerza a cada objeto y observa la diferencia en la aceleración de cada objeto.
• Toma dos objetos de masas diferentes, como una pelota y un ladrillo. Aplica una fuerza a cada objeto y observa la diferencia en la aceleración de cada objeto al aumentar la fuerza.

Estos ejercicios pueden ayudarte a comprender cómo la fuerza y la masa afectan a la aceleración.

SECCIÓN 6. La tercera ley del movimiento de Newton

La tercera ley del movimiento de Newton establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Esto significa que si un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto también ejercerá una fuerza igual y opuesta sobre el primero. Esta ley puede expresarse matemáticamente como F = -F, donde F es la fuerza ejercida por un objeto y -F es la fuerza ejercida por el otro objeto.

SECCIÓN 7.1 Ejemplos de la tercera ley de Newton

Veamos algunos ejemplos de la tercera ley de Newton en acción.

• Cuando empujas una pared, la pared te empuja con una fuerza igual y opuesta.
• Cuando lanzas una pelota, la pelota ejerce una fuerza sobre tu mano cuando sale de tu agarre.
• Cuando caminas, el suelo ejerce una fuerza sobre tus pies al pisar.

En todos estos ejemplos, las fuerzas ejercidas por cada objeto son iguales y opuestas.

SECCIÓN 7.2 Ejercicios para comprender la tercera ley de Newton

Para comprender mejor la tercera ley de Newton, veamos algunos ejercicios que puedes hacer para poner a prueba tus conocimientos.

• Coge dos objetos y empújalos. Observa la fuerza ejercida por cada objeto. ¿Son iguales y opuestas?
• Coge dos objetos y sepáralos. Observa la fuerza que ejerce cada objeto. ¿Son iguales y opuestos?
• Coge dos objetos y déjalos caer desde alturas diferentes. Observa la fuerza de gravedad ejercida sobre cada objeto. ¿Son iguales y opuestas?

Estos ejercicios pueden ayudarte a comprender cómo dos objetos pueden ejercer fuerzas iguales y opuestas entre sí.

SECCIÓN 8. Cómo comprobar tus conocimientos sobre las leyes de Newton

Ahora que tienes una comprensión básica de las leyes del movimiento de Newton, es el momento de poner a prueba tus conocimientos. Hay varias formas de hacerlo.

• Haz un cuestionario en línea para comprobar tus conocimientos sobre las leyes de Newton.
• Haz un examen práctico sobre las leyes de Newton.
• Lee un libro o un artículo sobre las leyes de Newton y responde a las preguntas del final.
• Mira un vídeo sobre las leyes de Newton y contesta a las preguntas del final.

Todas estas son buenas formas de poner a prueba tus conocimientos sobre las leyes de Newton.

SECCIÓN 9. Otros recursos

Si quieres aprender más sobre las leyes del movimiento de Newton, hay muchos recursos disponibles.

• Visita tu biblioteca local y consulta libros sobre las leyes de Newton.
• Haz un curso en línea sobre las leyes de Newton.(click aquí)
• Mira vídeos sobre las leyes de Newton en youtube. (click aquí)
• Visita páginas web y blogs sobre las leyes de Newton.

Todos estos son excelentes recursos para ayudarte a entender las leyes de Newton.

SECCIÓN 10. CONCLUSIÓN

En conclusión, las leyes del movimiento de Newton son un conjunto increíblemente importante de leyes que describen el comportamiento de los objetos en movimiento. Se utilizan para describir el movimiento de los objetos en diversas situaciones. La primera ley de Newton establece que un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento permanece en movimiento, a menos que actúe sobre él una fuerza externa. La segunda ley de Newton establece que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. Y la tercera ley de Newton establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Espero que este artículo te haya ayudado a comprender las leyes de Newton y que te diviertas poniendo a prueba tus conocimientos sobre ellas.

Electricidad

¿Qué es la electricidad?

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La electricidad “se define a partir de un fenómeno particular que se manifiesta en algunos materiales después de ser frotados, evidenciando atracción de otros cuerpos o repulsión entre cuerpos de la misma naturaleza”. Sin embargo, aunque hoy en día la electricidad es muy familiar a todos, el fenómeno eléctrico se estudia desde la antigua Grecia Clásica, cuando no existía la Física formalmente hablando y la electricidad parecía magia.

La electricidad en su conceptualización fundamental, puede apreciarse en actividades del hogar y del día a día. Por ejemplo, al frotar los pies bajo una manta gruesa en un ambiente seco, frío y oscuro verás como saltan chismas, e incluso podrás oírlas, siempre que las condiciones sean favorables. Por otro lado, al frotar los dedos en cabello seco y liso, veremos como las hebras del cabello se separarán entre ellas, fenómeno por el cual no debes peinarte con mucho afán ni por mucho tiempo porque terminarías con todo el cabello “levantado”.

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¿Qué genera la electricidad?

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La electricidad, al igual que la gravedad, es una propiedad intrínseca de la materia; es decir, todos los cuerpos tienen la capacidad de manifestar el fenómeno eléctrico. Esto se debe a cómo son los cuerpos en sus elementos fundamentales. En la era moderna, la tecnología ha permitido desarrollar una teoría fundamental de la materia y llegar a lo que hoy se conoce como la “teoría atómica”, que establece las bases para explicar las propiedades intrínsecas de los materiales.

Es este orden de ideas, hoy se acepta que todos los cuerpos poseen átomos y que éstos están formados por tres partículas básicas: neutrones, protones y electrones. Muchos elementos se consiguen en estado neutral (sin electricidad), sin embargo, todos los elementos pueden adquirir electricidad y convertirse en iones. La explicación de estos cambios de estado reside en la forma en que se organizan neutrones, protones y electrones, donde los protones y neutrones se aglomeran en el núcleo, mientras que los electrones se mueven en nubes orbitales alrededor del núcleo.

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¿Por qué a este fenómeno se le conoce como electricidad?

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Como pasa con muchos nombres de las lenguas latinas, el origen del nombre “electricidad” se debe a los primeros estudios formales de los que se tiene registro sobre este fenómeno en la Grecia Clásica, en el siglo IV antes de la era cristiana.

En este sentido, se dice que Tales de Mileto fue uno de los primeros en experimentar y registrar resultados singulares con los fenómenos eléctricos. Él describe que al frotar el ámbar (resina que se consigue de forma natural como una piedra preciosa) éste adquiría la propiedad de atraer semillas ligeras o polvo. Es por esto que hoy llamamos a este fenómeno electricidad: del griego elektron (ámbar).

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¿Qué es la carga eléctrica?

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La carga eléctrica “es la magnitud física que indica la cantidad de electricidad que posee un cuerpo o sistema”. 

La clasificación de dos tipos de cargas eléctricas se le atribuye al físico inglés William Gilbert, en el siglo XVI, que fue quien descubrió que otras sustancias diferentes al ámbar podían adquirir la propiedad reseñada por Tales. Gilbert descubrió que existían dos tipos de sustancias eléctricas a las que denominó: cargas Vitrias y cargas Resinosas. Las primeras agrupaban a las sustancias que manifestaban un comportamiento eléctrico de repulsión con el vidrio al frotarlo, mientras que las segundas incluían otros objetos que luego de ser frotados eran atraídos por el vidrio, pero repelidos por el ámbar.

Tiempo después, el físico norteamericano Benjamín Franklin también demostró la existencia de la carga eléctrica y es éste el que incluye los términos de carga negativa y positiva. Después de numerosos experimentos, Franklin comprobó que cuando la cantidad de carga era inferior a la carga normal ésta era negativa (adquirida por el ámbar); y, cuando era superior a la normal esta era positiva (adquirida por el vidrio). 

Hoy en día, y gracias a la teoría atómica, sabemos que sólo los electrones pueden moverse de un cuerpo a otro, por lo que al frotar una barra de plástico en tela de seda decimos que se electriza ganando electrones (carga negativa) y al frotar una barra de vidrio en seda se electriza perdiendo electrones (carga positiva).

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¿Cómo se mide la electricidad de los cuerpos? 

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La carga eléctrica se conceptualiza a partir del exceso o déficit de electrones que posea un cuerpo con electricidad. Por ello, el valor de la carga eléctrica se define a partir de la carga elemental del electrón (e). Así, la carga eléctrica que existente en cualquier cuerpo “es un número entero de electrones”, de modo que las cargas negativas y positivas se refieren a un exceso o déficit de electrones, respectivamente. 

En las medidas del Sistema Internacional de Unidades (SI) la unidad de la carga eléctrica es el coulomb o culombio (C) y se representa: 

Su equivalencia con la carga del electrón es: 

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¿Cómo son las interacciones eléctricas?

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Todas las manifestaciones eléctricas tienen su fundamento y explicación en las leyes del electromagnetismo, conocidas como las Leyes de Maxwell: Ley de Gauss, Ley de Gauss para el Magnetismo, Ley de Ampere-Maxwell y Ley de Faraday-Lenz.

A partir de estas cuatro leyes fundamentales se pueden deducir todas las ecuaciones que describen las interacciones eléctricas, como la ley de Coulomb que define la interacción entre dos cargas puntuales.

Cinemática

¿Qué es la cinemática?

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La cinemática es una disciplina que emerge de la física para el estudio del movimiento de los cuerpos, sin profundizar en las causas del movimiento o el por qué de sus cambios. Para ello, para la descripción del movimiento de cualquier cuerpo, este se conceptualiza como un "punto material", es decir, todo cuerpo se asume como un punto con masa, pero sin forma ni volumen. Esto permite un estudio y descripción de las trayectorias que describe un cuerpo y de cómo éstas cambian en el tiempo sin las complicaciones que conlleva su forma o tamaño. 

Para el desarrollo de los estudios del movimiento se tiene el “sistema de referencia”, entendiéndolo como un diagrama que “permite describir completamente los cambios de posición de un cuerpo en el espacio con respecto a puntos u objetos conocidos”. Este sistema de referencia se resume a un simple sistema cartesiano y el punto utilizado como referencia es ubicado en el origen del plano cartesiano. De esta forma, se puede obtener una relación de la trayectoria de una partícula (punto material) en función del tiempo (Posición vs Tiempo). Ésta función es derivada para obtener una función de la velocidad (razón de cambio de la posición de un móvil) y ésta para obtener una función de la aceleración (razón de cambio de la velocidad con respecto al tiempo).

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Tipos de movimiento

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El movimiento de una partícula se describe según las características de la velocidad y la aceleración, entendiéndolas como magnitudes vectoriales (con magnitud y dirección):

• Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU): Cuando la aceleración es nula, por lo que la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo, manteniendo su módulo(valor) y dirección.
• Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV): Si la aceleración es constante y con igual dirección que la velocidad, por lo que la velocidad cambiará en iguales proporciones en iguales intervalos de tiempo. Este tipo de movimiento puede ser:
• MRUA o acelerado, cuando la aceleración y la velocidad, además de la misma dirección, presentan el mismo sentido.
• MRUR o retardado, cuando la aceleración y la velocidad, además de la misma dirección, presentan sentidos opuestos.
• Movimiento Circular Uniforme (MCU): cuando la aceleración es constante con dirección perpendicular a la velocidad. Por ello, el módulo de la velocidad es constante y cambia su dirección constantemente para que el cuerpo describa una circunferencia o un segmento de circunferencia.

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Elementos para el estudio del movimiento

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Para describir completamente las ecuaciones del movimiento y facilitar su análisis, es conveniente definir cada una de las magnitudes físicas involucradas:

• Posición: 

Es el punto en el espacio que ocupa el objeto de estudio. La posición es una magnitud vectorial (con módulo y dirección) que usualmente se representa con la letra “” o con sus componentes espaciales “” y “”, donde la unidad para medir la posición de un cuerpo con respecto a un punto de referencia es el metro (m)

• Tiempo: 

Es una magnitud escalar que define la duración de un evento. El tiempo usualmente es denotado con la letra “t” y su unidad es el segundo (s)

• Desplazamiento: 

Es una magnitud vectorial que define el cambio de posición del cuerpo. La unidad física para medir el desplazamiento es el metro (m)

• Recorrido o trayectoria: 

Es el conjunto de puntos sucesivos generados por los cambios infinitesimales de posición en el tiempo. El recorrido es una magnitud escalar, ya que no tiene una dirección definida, usualmente es representado por la letra “d” y su unidad física es el metro (m).

• Velocidad: 

Es una magnitud vectorial que define el desplazamiento de un cuerpo durante un cambio de tiempo.  La velocidad se simboliza con el vector “” y su unidad de medida es el metro sobre segundo (m/s)

En el caso del MRU esta ecuación puede simplificarse a la siguiente:

;  que puede ser modificada con  y con  para obtener   

• Rapidez: 

Es una magnitud escalar asociada al módulo de la velocidad, aunque viene definida por la distancia recorrida durante un intervalo de tiempo. La unidad de medida de la rapidez es el metro sobre segundo (m/s) y se diferencia de la velocidad porque esta última es un vector.

En el caso del MRU, se puede expresar la rapidez en función de la distancia recorrida d y el tiempo t

• Aceleración: 

Es la magnitud vectorial que define el cambio de la velocidad durante un cambio de tiempo. Los cambios de la velocidad pueden ser de magnitud, de dirección o ambas a la vez. La unidad física de la aceleración es el metro sobre segundo cuadrado (m/s2)

Para el MRUV esta ecuación puede reexpresarse de la siguiente forma:

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Otros tipos de movimiento:

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• El movimiento parabólico

También llamado “Movimiento en el plano”, debe su nombre a la trayectoria que describe un proyectil (punto material) cuando la aceleración es constante (sin cambiar su módulo o dirección) y está en el mismo plano que la velocidad. En este, el componente de la velocidad, en la dirección de la aceleración, se comporta como un movimiento rectilíneo uniformemente variado. Mientras que la componente perpendicular se comporta como un movimiento rectilíneo uniforme. De este modo, al componer las sucesivas posiciones (x,y) que presenta el proyectil, se obtiene una línea parabólica.

Dos ejemplos prácticos, que suelen desarrollarse y estudiarse por separado, son: el lanzamiento de proyectiles y el lanzamiento horizontal. En ambos ejemplos, la aceleración de la gravedad es la única aceleración presente en el sistema y asumida como constante en la superficie de la Tierra.

• El efecto Coriolis

La trayectoria descrita por el aire en la rotación las tormentas y tornados (diferente en el hemisferio norte que en el hemisferio sur) es un ejemplo de este tipo de movimiento, donde la aceleración es constante pero no está en el mismo plano que la velocidad y la trayectoria.

• Movimiento Armónico Simple (MAS)

En el movimiento armónico simple se presenta cuando existe una aceleración que cambia de magnitud y dirección debido a la presencia de una fuerza restauradora, provocando un movimiento oscilatorio con una trayectoria de vaivén. Un ejemplo representativo es un péndulo simple, oscilando de un lado a otro con su punto de equilibrio en el centro de la trayectoria (punto donde por un instante la aceleración es núla y cambia de sentido). En este caso, La aceleración y la velocidad son funciones sinusoidales del tiempo.