La descripción del movimiento y la fuerza. El movimiento de los objetos.

Marco de referencia

Hay magnitudes que caracterizan al movimiento, como son: la trayectoria, rapidez, velocidad, etc. Los movimientos se representan por 2 gráficas, las de posición-tiempo y las de velocidad-tiempo. Todo esto lo veremos a continuación.

Marco de referencia y trayectoria, diferencia entre desplazamiento y distancia recorrida.

Cuando hablamos del movimiento de cualquier objeto, siempre lo hacemos tomando a otro como referencia. Un sistema de referencia es, precisamente un lugar establecido, en relación con el cual se miden las posiciones de los objetos en determinada situación. Es necesario establecer también a partir de qué instante se mide el tiempo.

El primer paso en el estudio del movimiento es establecimiento de un marco de referencia.  El mismo nos ayuda a establecer parámetros relacionados con la localización en el espacio. Por ejemplo, en la descripción del movimiento de un objeto requiere la descripción de la posición del objeto.

La trayectoria es una línea que une diferentes posiciones que ocupa un punto que se mueve en el espacio a medida de que pasa el tiempo.

La trayectoria puede ser recta o curva. Por ello, dividimos los movimientos en dos grandes grupos según sea su trayectoria: Rectilíneos y Curvilíneos.

Al desplazamiento lo llamamos desplazamiento a la distancia que existe entre la posición final e inicial de un movimiento (o de una parte del movimiento).

Un desplazamiento siempre se representa sobre una línea recta. Esto quiere decir que tiene una dirección que coincide con esa línea recta.

Un desplazamiento siempre comienza en el punto inicial y termina en el punto final. Esto quiere decir que tiene un sentido que viene determinado por las posiciones de los puntos inicial y final.

Un desplazamiento siempre tiene una longitud, que se determina por la diferencia entre las posiciones final e inicial (del intervalo de tiempo seleccionado). Es lo que se conoce como módulo del desplazamiento.

Todo esto se resume diciendo que el desplazamiento es una magnitud vectorial, lo que quiere decir, que tiene una dirección, un sentido y un módulo, que se pueden representar gráficamente mediante una flecha y matemáticamente mediante un vector.

La distancia es una magnitud escalar que mide la relación del intervalo  entre dos puntos o cuerpos. La distancia recorrida

La velocidad es una magnitud vectorial que relaciona el cambio de posición (o desplazamiento) con el tiempo.

El tiempo es una magnitud de carácter físico que se emplea para realizar la medición de lo que dura algo que es susceptible de cambio. Cuando una cosa pasa de un estado a otro, y dicho cambio es advertido por un observador, ese periodo puede cuantificarse y medirse como tiempo.

El tiempo es la cantidad de duración de los fenómenos. La duración es la sucesión continua de momentos. El tiempo aumenta indefinidamente.

Relación desplazamiento y tiempo.

Todo tipo de desplazamiento cambia con el tiempo. Velocidad es el resultado entre la magnitud del desplazamiento y el tiempo que se tarda dicho desplazamiento.

Como el desplazamiento es un vector tiene asociadas una magnitud, una dirección y un sentido, la velocidad también tiene asociados estos tres conceptos.

                                           Magnitud del desplazamiento

Magnitud de la velocidad = _______________________

                                                               t

Interpretación y representación de gráficas posición-tiempo.

La representación gráfica posición-tiempo es un tipo de gráfica que se presenta en un eje de coordenadas cartecianas y posición en función del tiempo. Esta describe el movimiento de un cuerpo.

Se pretende describir el movimiento de lugar de un objeto conforme pasa el tiempo espaciandolo ya sea continuamente o sólo cada determinados unidades de tiempo, segundo, minuto, etc.

Las gráficas posición-tiempo para describir el movimiento: Podemos deducir las características de un movimiento analizando la forma y la pendiente de las gráficas posición-tiempo (e- t). La pendiente de una gráfica e-t representa la velocidad del móvil. Si el movimiento es uniforme, la gráfica e-t es una recta ya que en tiempos iguales se producen desplazamientos iguales. 

Ejemplo:

Movimiento ondulatorio, modelo de ondas, y explicación de características del sonido.

Un tipo particular de movimiento es el ondulatorio, que explica la propagación de ondas.

Los sonidos son generados por vibraciones de objetos materiales. Las ondas pueden asumirse como una perturbación; el tipo de movimiento que se producen es ondulatorio.

Las ondas se representan gráficamente y se caracterizan por: su amplitud, su longitud de onda y su frecuencia.

 

-Los puntos más elevados se llaman crestas, y los más bajos, valles.

-La amplitud es la distancia desde la cresta o desde el valle, hasta el punto medio.

-La longitud de onda es la distancia entre la cima de una cresta y la cima de la cresta siguiente.

-La frecuencia nos indica qué tan a menudo ocurre una vibración.

El sonido. Es una sensación percibida por el oído que llega al cerebro. Cuando un cuerpo vibra, las moléculas que lo forman se propagan en círculos concéntricos a través del aire. Es preciso establecer la diferencia entre un ruido y un sonido musical.

Las características del sonido son cuatro: intensidad, altura, timbre y duración.

-Intensidad. Es la fuerza con que se produce el sonido; es decir, si es fuerte o suave. En la intensidad influye la amplitud de las ondas, o sea la magnitud de las vibraciones; además se puede comparar con el volumen.

-Altura. Es una propiedad por medio de la cual el sonido puede clasificarse en agudo, medio y grave; constituye el tono del sonido. En el canto de los pájaros destacan los sonidos agudos, mismo que contrasta con el rugido de un león caracterizado por sonidos graves.

-Timbre. Se le considera como el sonido característico de una voz o instrumento. De acuerdo con las vibraciones se produce el timbre, puede ser de muy variadas formas, gracias a él se nota la diferencia de los sonidos en las voces de varón y de mujer, en los ruidos de la naturaleza, de los automóviles y en la melodía producida por instrumentos musicales.

-Duración. Comprende el tiempo que se escucha un sonido; éste puede ser largo o corto.

Referencias:

https://sites.google.com/site/timesolar/cinematica/marcodereferencia

http://deliacbtis121.blogspot.mx/2008/04/trayectoriadistancia-y-desplazamiento.html

http://eso4fyq.cellavinaria.org/temas/los-movimientos/posicin/desplazamiento

http://definicion.de/tiempo/

http://eso4fyq.cellavinaria.org/temas/los-movimientos/posicin/trayectoria

http://faveladaniel.blogspot.mx/2009/02/definiciones-y-conceptos.html

http://www.educaplus.org/movi/2_5velocidad.html

http://foros.monografias.com/showthread.php/44566-El-Tiempo-Y-Las-Magnitudes-Fisicas

http://movimientho-itzel.blogspot.mx/2011/01/relacion-desplazamiento-y-tiempo.html

http://www.slideshare.net/juanjosevazquezgarcia/representacion-grafica-9846610

http://mariajesuscamino.com/cuadernia/El-Sonido/

http://www.oocities.org/mx/baldemusic/apuntes/sonido.html

Atlas de Geografía Universal, SEP, México, D.F, 1993

El trabajo de Galileo.

Antes de Galileo Galilei se creía que los cuerpos pesados caían más rápidamente que los ligeros y que a mayor paso, mayor velocidad. Esto no era verdad. Galileo fue el primero en demostrar que todos los cuerpos, ya sean grandes o pequeños sin tener en cuenta la fricción del aire, caen a la tierra con la misma aceleración.

Explicaciones de Aristóteles y Galileo acerca de la caída libre.

Aristóteles fue uno de los más representantes de este tipo de pensamiento. Los términos “arriba” y “abajo” no poseían para Aristóteles el sentido relativo actual, sino que para él eran lugares únicos y absolutos.

Aristóteles afirmaba que el peso de un objeto y la resistencia del medio a través del cual se desplaza colaboran con el fin de hacerlo caer a una velocidad proporcional a su peso; y enunció el siguiente principio: “La velocidad de un  objeto es directamente proporcional a su peso e inversamente proporcional a la resistencia del medio”.

Cualquier movimiento que no fuera natural (es decir, que no fuera hacia arriba o hacia abajo) era violento y requería de la presencia de una fuerza externa. Esta fuerza era la que sin una fuerza impulsora no hay movimiento. Si deja de hacerse dicha fuerza, el movimiento cesa. Por ejemplo, cuando una carreta es arrastrada por un caballo.

Dieciocho siglos después de Aristóteles, Galileo inició su ataque contra la concepción aristotélica del movimiento.

Afirmó que todos los cuerpos se comportan de la misma forma respecto al movimiento.

Un mismo objeto puede subir o bajar según el medio en el que se encuentre, por lo que la ligereza o la gravedad no dependen de la naturaleza de un objeto, respecto a los demás cuerpos que le rodean. Según Galileo, sólo hay un movimiento: el que se dirige hacia el centro de la Tierra, pues todos los objetos tienen un peso.

Fue así como Galileo caracterizó al movimiento de caída libre como movimiento acelerado, al que definió como “aquel que, partiendo del reposo, adquiere, en tiempos iguales, iguales incrementos de velocidad”.

Se ha determinado que el valor de la constante de aceleración gravitacional (g) sobre la Tierra al nivel del mar, y para todos los cuerpos, es igual a 9.8 m/s2.

Aportación de Galileo en la construcción del conocimiento científico.

Para Galileo, el método científico debe atender por igual a los dos momentos de la ciencia. Galileo es el primer científico en sentido moderno.

El gran avance de Galileo consiste en dar un paso más en la construcción sistemática y rigurosa de la experiencia. La experiencia se basa en la observación o conocimiento sensible pero debe ser sometida posteriormente a la experimentación o control artificial de las variables intervinientes para comprobarla o contrastarla.

Las teorías deben ser formuladas y demostradas en el lenguaje más universal y necesario de la razón, las matemáticas.

Los aportes de Galileo Galilei fueron importantes por varios motivos: para la astronomía, Galileo pudo demostrar que la Tierra no era el centro del universo, sino el sol, que hasta ese entonces era sólo una hipótesis, (no demostrada aún) enunciada por Copérnico. A Galileo se le atribuye la mejora del telescopio. También Galileo pudo precisar el movimiento de diversos cuerpos celestes, lo que constituyó un avance importante para la navegación. El principal aporte de Galileo al pensamiento científico está dado por dos pilares fundamentales, como lo son la reproducibilidad (capacidad de repetir un experimento), y la falsedad posibilidad de que un experimento no de los resultados esperados. Galileo investigó los tres tipos de movimientos también.

La aceleración, diferencia con la velocidad.

Cuando un cuerpo aumenta o disminuye su velocidad, se dice que acelera o desacelera, respectivamente.

El concepto o definición de aceleración física es muy sencillo, pues es la variación de la velocidad por unidad de tiempo.

La velocidad es el cambio de posición respecto al tiempo. La velocidad es un vector y su magnitud es la rapidez.

Interpretación y representación de gráficas velocidad-tiempo y aceleración-tiempo.

El aparato que construyó para estudiar la caída de los cuerpos fue el plano inclinado. Cuando la inclinación aumentaba, también lo hacía la aceleración del objeto. Cuando el ángulo de inclinación fuera de 90˚ y el plano inclinado estuviera en posición perpendicular con el piso se obtendrá el valor de la aceleración gravitacional.

Gráficas velocidad-tiempo.

En este tipo de gráficas la variable independiente es siempre el tiempo y la variable dependiente es la velocidad.

Y la pendiente de la gráfica es la aceleración dada por la siguiente formula:

a = V2 - V1

t2 - t1

La gráfica velocidad contra tiempo representa el cambio de la velocidad respecto al tiempo, para MRU es una línea recta paralela al eje del tiempo, para MRUV o MUA, es una línea oblicua, cuya pendiente (tangente al eje del tiempo) es la aceleración.

Ejemplo: En esta gráfica la velocidad aumenta conforme aumenta el tiempo y la pendiente representa la aceleración que en este caso es constante.

Gráfica aceleración-tiempo.

La gráfica aceleración vs tiempo es la variación de la aceleración con el tiempo, para MRU es el eje del tiempo (aceleración cero), para MRUV es una línea paralela a dicho eje (aceleración constante); el área bajo esa línea es la velocidad.

Ejemplo: En esta gráfica la pendiente representa la velocidad que es constante y conforme aumenta el tiempo disminuye la aceleración.

Referencias bibliográficas:

http://www.slideshare.net/Yeseenya/caida-libre-11761609

http://prezi.com/0z5o6le3jgbp/aportaciones-de-galileo-en-la-construccion-del-conocimiento-cientifico/

http://www.filosofiamaterialesyrecursos.es/25_Historia_de_la_Filosofia_Galileo.html

http://fisicaparasiempre.blogspot.mx/2010/12/cuando-dos-bolas-de-billar-chocan-las.html

http://genesis.uag.mx/edmedia/material/fisica/movimiento3.htm

http://www.ejemplode.com/37-fisica/475-graficas_de_posicion_vs._tiempo_y_velocidad_contra_tiempo_del_mua.html

La descripción de las fuerzas en el entorno

Fuerza

Una  fuerza es la acción que modifica el estado de reposos o movimiento de los cuerpos.

Una fuerza es una acción tal que aplicada sobre un cuerpo modifica su velocidad (mediante una aceleración). La fuerza es una magnitud vectorial. En el sistema internacional  se mide en Newton.

Representación con vectores

Una fuerza puede representarse mediante un vector. Algunas veces un cuerpo mes sometido a más de una fuerza. En éste caso,  cada una de las fuerzas debe estar representada por un vector.

Vector

Un vector es todo segmento de recta dirigido en el espacio. Cada vector posee unas características que son:

Origen

O también denominado Punto de aplicación. Es el punto exacto sobre el que actúa el vector.

Módulo

Es la longitud o tamaño del vector. Para hallarla es preciso conocer el origen y el extremo del vector, pues para saber cuál es el módulo del vector, debemos medir desde su origen hasta su extremo.

Dirección

Viene dada por la orientación en el espacio de la recta que lo contiene.

Sentido

Se indica mediante una punta de flecha situada en el extremo del vector, indicando hacia qué lado de la línea de acción se dirige el vector.

Hay que tener muy en cuenta el sistema de referencia de los vectores, que estará formado por un origen y tres ejes perpendiculares. Este sistema de referencia permite fijar la posición de un punto cualquiera con exactitud.

Fuerza: Resultado de las interacciones por contacto

Interacciones:

 De contacto

Son aquellas en que el cuerpo que ejerce la fuerza está en contacto directo con el cuerpo que la recibe.

- ­Mecánica: Producida mediante un objeto mecánico con una determinada intensidad y que provoca cambios en el receptor.

A distancia: Son aquellos que presentan cuando entre los cuerpos existe una atracción sin que entren en contacto directo.

-  Magnética: Ejercida de un polo a otro y como consecuencia del movimiento de partículas se cargan los cuerpos.

-    Electrostática: Es aquella que se presenta entre cargas en reposo. Atractiva si las cargas son opuestas y repulsivas si son del mismo signo.

Representación con vectores

Una fuerza puede representarse mediante un vector. Algunas veces un cuerpo es sometido a más de una fuerza. En este caso, cada una de las fuerzas debe estar representada por un vector.

Vector Resultante. (VR) El vector resultante en un sistema de vectores, es un vector que produce el mismo efecto en el sistema que los vectores componentes.

Vector Equilibrante. (VE) Es un vector igual en magnitud y dirección al vector resultante pero en sentido contrario es decir a 180°.

Fuerza Resultante

Si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas se pueden sumar las mismas de forma vectorial (como suma de vectores) obteniendo una fuerza resultante, es decir equivalente a todas las demás. Si la resultante de fuerzas es igual a cero, el efecto es el mismo que si no hubiera fuerzas aplicadas: el cuerpo se mantiene en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme, es decir que no modifica su velocidad.

En la mayoría de los casos no tenemos las coordenadas de los vectores sino que tenemos su módulo y el ángulo con el que la fuerza está aplicada. Para sumar las  fuerzas  en este caso es necesario descomponerlas proyectándolas sobre los ejes y luego volver a componerlas en una resultante (composición y descomposición de fuerzas).

Fuerza Equilibrante

Se llama fuerza equilibrante a una fuerza con mismo módulo y dirección que la resultante (en caso de que sea distinta de cero) pero de sentido contrario. Es la fuerza que equilibra el sistema. Sumando vectorialmente a todas las fuerzas (es decir a la resultante) con la equilibrante se obtiene cero, lo que significa que no hay fuerza neta aplicada.

Métodos gráficos

Éste es el método gráfico más utilizado para realizar operaciones con vectores, debido a que se pueden sumar o restar dos o más vectores a la vez. El método consiste en colocar en secuencia los vectores manteniendo su magnitud, a escala, dirección y sentido; es decir, se coloca un vector a partir de la punta flecha del anterior. El vector resultante esta dado por el segmento de recta que une el origen o la cola del primer vector y la punta flecha del último vector.

Ejemplo. Sean los vectores:

Los métodos gráficos ofrecen una manera sencilla de sumar o restar dos o más vectores; pero cuando las magnitudes de los vectores son demasiado grandes o poseen una gran cantidad de decimales,  éstos métodos se vuelven imprecisos y difíciles de manipular a escalas de medición menores. Es por eso, la necesidad de un método matemático nemotécnico, que permita dar una mayor precisión en el cálculo de vectores resultantes, no sólo en la magnitud, sino además en la dirección de ellas.

Suma de vectores

Sabemos, de la suma de vectores, que todo vector puede descomponerse como la suma de otros dos vectores, llamados las componentes vectoriales del vector original. Para sumarlos, lo usual es escoger las componentes sumando a lo largo de dos direcciones perpendiculares entre sí.

 http://www.fisicapractica.com/fuerza.php

http://myprofeciencias.wordpress.com/2010/11/07/la-fuerza-y-las-leyes-de-newton-sobre-el-movimiento/

http://tochtli.fisica.uson.mx/electro/vectores/definici%C3%B3n_de_vectores.htm

http://www.jfinternational.com/mf/suma-vectores-fisica.html

Leyes del movimiento.

La explicación del movimiento en el entorno.

El científico inglés Isaac Newton estudió con base a las ideas de Galileo Galilei, el movimiento y resumió en tres leyes, conocidas como las leyes de Newton, las condiciones generales para que el movimiento se presente. 

Todas están relacionadas con fuerzas, y por ello a la unidad de medida empleada para medirlas se le denomina newton (N).

Primera ley de Newton o Ley de inercia.

Newton tomó la idea de Galileo sobre el movimiento rectilíneo uniforme y el movimiento acelerado, utilizando el concepto de inercia.  La inercia es la tendencia que presenta un cuerpo en reposo a permanecer inmóvil, o la de un cuerpo en movimiento a tratar de no detenerse. La ley de la inercia se aplica a todos los cuerpos de forma independiente a cual sea su estado de movimiento.

La masa de un cuerpo es una medida de su inercia, es decir, entre más masa tenga, más difícilmente lo podemos poner en movimiento si está en reposo o detenerlo si ya se está moviendo.

Segunda ley de Newton o Ley fundamental de la dinámica.

La segunda ley indica la relación que hay entres la fuerza y la masa de un cuerpo con la aceleración del mismo, y se expresa en la siguiente ecuación:

Un newton es la fuerza necesaria para que un objeto de 1kg de masa adquiera una aceleración de 1m/s2

La relación de la fuerza, masa y aceleración.

-Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, hace que el cuerpo se acelere.

-La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza que actúa sobre él.

-La aceleración de un objeto es inversamente proporcional a la masa de un cuerpo.

Tercera ley de Newton o Ley de acción-reacción.

Las fuerzas siempre se manejan en parejas, no hay una fuerza aislada, al menos siempre se presentan dos.

Esta ley indica que a toda acción corresponde una reacción igual en magnitud, pero en sentido contrario y aplicadas a diferentes objetos.

Las características de estas fuerzas:

-Son iguales en magnitud.

-Son opuestas en dirección.

-Actúan en cuerpos diferentes.

Brevemente explicado:

Primera ley o ley de inercia	Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
Segunda ley o Principio Fundamental de la Dinámica	La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.
Tercera ley o Principio de acción-reacción	Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

Referencias bibliográficas:

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html

http://apuntes.infonotas.com/pages/fisica/fuerzas/faq-fisica-3.php

Chamizo José Antonio. Ciencias 2 Física. Esfinge. Naucalpan, Edo de Méx. 2008