EL MARAVILLOSO MUNDO DE LA FÍSICA 10° (LAS LEYES DE NEWTON)

SEGUNDO PERIODO

INSTITUCIÓN EDUCATIVA PUNTA DE PIEDRA

DOCENTE: VALENTINA PADILLA CERVANTES

ÁREA: CIENCIAS NATURALES

ASIGNATURA: FÍSICA

FECHAS: 4 DE MAYO DE 2020

GRADO: 10°

   LEYES DE NEWTON

ESTÁNDAR DE COMPETENCIAS

Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y la masa.

DBA

Comprende que el reposo o el movimiento rectilíneo uniforme, se presenta cuando las fuerzas aplicadas sobre el sistema se anulan entre ellas, y que en presencia de fuerzas resultantes no nulas se producen cambios de velocidad.

APRENDIZAJE

·         MOVIMIENTO GENERALIDADES

·         Relatividad del movimiento y sistemas de referencia

·         Velocidad media e instantánea de un objeto en movimiento Aceleración media e instantánea de un objeto en movimiento Movimiento rectilíneo Caída libre y lanzamiento vertical Simulaciones

·         Phet Videos educativos

·         MOVIMIENTO EN EL PLANO

·         Descripción de un movimiento en dos dimensiones

·         Aceleración media e instantánea de un cuerpo con movimiento en el plano

·         Movimiento parabólico Movimiento circular uniforme (MCU) Simulaciones Phet Videos educativos

·         DINÁMICA

·         Las fuerzas.

·         Equilibrio de traslación Fuerzas no equilibradas Dinámicas del movimiento circular Centro de masa y centro de gravedad

·         Torque y condiciones de equilibrio Simulaciones Phet Videos educativos

COMPETENCIAS

• Predice el equilibrio (de reposo o movimiento uniforme en línea recta) de un cuerpo a partir del análisis de las fuerzas que actúan sobre él (Primera ley de Newton).
• Estima, a partir de las expresiones matemáticas, los cambios de la velocidad (aceleración) que experimenta un cuerpo a partir de la relación entre fuerza y masa (segunda ley de Newton).

OBJETIVO:

·         Realizar simulaciones mediante el uso de las TICS

·         Solucionar los talleres de competencias Realizar un trabajo experimental (Medidas y vectores) Realizar una competencia comunicativa (Investigar) Prueba tipo ICFES.

·         Realizar simulaciones mediante el uso de las TICS

·         Solucionar los talleres de competencias Realizar un trabajo experimental (Movimiento Parabólico) Realizar una competencia comunicativa (Construir una lanza proyectiles) Prueba tipo ICFES.

PROPOSITO:

• Observa fenómenos específicos
• Consulta en diferentes tipos de texto para complementar su aprendizaje.
• Propone acciones tendientes a mejorar su medio ambiente

METODOLOGÍA DIDÁCTICA

Todas las acciones generadas para propiciar la fijación del aprendizaje; lecturas alusivas al tema, Construcción de dibujos, pinturas, diálogos dirigidos, lectura de imágenes, actividades de correlación, exposiciones magistrales, lectura de reflexiones, lectura de textos, fotocopias, sopa de letras, crucigrama observación de videos.

Para este periodo se ejecutará la lectura de comprensión del apunte, resolución de la autoevaluación que se encuentra al final de la temática, y la revisión del mapa conceptual el cual sirve como retroalimentación para el estudiante.

Entregar una investigación por escrito partir de revisión de artículos, mi blog, video, -programas e Internet.

Aprendizaje basado en problemas

Para ello, con la debida anticipación, se les comenta a los estudiantes cuándo se trabajará la propuesta. Se presentan los objetivos de la unidad y se les entrega la guía de situaciones problemáticas. Se realizan talleres de retroalimentación relacionados con el tema para fijar los conceptos teóricos que se abordarán en las tutorías.

En términos generales, se organiza en torno a problemas de la vida real. Al trabajar con este tipo de planteos se espera que se generen estrategias de resolución, reflexionando sobre su propio conocimiento.

Además, un adecuado aprendizaje basado en la resolución de problemas implica emplear diversas operaciones de comprensión como interpretación, análisis, deducción, inducción, especificación, comparación, interrelación, fundamentación y síntesis, entre otras, que evitan un aprendizaje superficial y permiten apropiaciones profundas y perdurables.

• Estrategia de Evaluación:

se refiere a todas las formas de verificar el aprendizaje, cognitivos, autoevaluación y avances comportamentales determinado fortalezas y de debilidades de manera integral en el estudiante, evaluaciones orales, escritas prueba saber, trabajo grupal, trabajo individual, consultas, recorta y pega, puntualidad, responsabilidad, presentación personal, lecturas y análisis de texto.

Recursos; copias, libros, retos

1.     Estrategias Metodológicas: (son todas las acciones generadas para propiciar la fijación del aprendizaje) Video Documental, Exposiciones, realización de experimentos, consultas, Explicaciones orales y escritas. - Explicaciones procedimentales. - Expresiones gráficas

2.    Estrategia de Evaluación: (se refiere a todas las formas de verificar el aprendizaje, cognitivos y avances comportamentales determinado fortalezas y de debilidades de manera integral en el estudiante

·         Evaluaciones escritas (Tipo Saber),

·         Exposiciones, 

·         carteles

·         charlas

·         Ensayo

·         Laboratorios

·         Salidas al tablero

·         Talleres interpretativos

·         Salidas - Observación directa - Juegos libres - Juegos dirigidos

3.    Reto saber (Preguntas tipo saber, Fortalezas, Debilidades, necesidades de los educandos)

              ¿Cómo puedes aprender a divertirte manteniendo un equilibrio

               entre un ambiente cargado de luces y sonido y un ambiente relajado?

4.    Recursos (se refiere a todos los materiales usados para el proceso de la enseñanza): Estándares Básicos de Competencias de ciencias naturales, Libro los caminos del saber, revistas, televisor, programas curriculares, Implementos propio de cada estudiante, implementos de medidas, implementos de laboratorio internet. Computador, video beam, laminas, Entre otros

EVALUACIÓN DIAGNOSTICA

Antes de comenzar con el estudio de los contenidos teóricos, es conveniente que contestes la siguiente evaluación diagnóstica, la cual te servirá como indicador de tus conocimientos respecto al tema:

A continuación, se presentan diferentes eventos, cada uno de ellos propone opciones para predecir lo que sucederá. Elige una de esas opciones para cada caso y explica por qué piensas que sucederá. Anota tus respuestas al lado de las imágenes.

1.- Me subo a un microbús y cuando voy a pagar, el chofer da un acelerón.

a) Me iría hacia adelante.

     b) Me iría hacia atrás.

2.- Cuando mi papá me viene a dejar a la escuela, otro auto se pasa el alto y mi papá tiene que dar un frenón.

         a)  Mi papa y yo nos moveremos hacia atrás.

         b) Nos moveríamos hacia el frente.

 3.- Estoy en el patio platicando con mis amigos y alguien pasa corriendo y choca conmigo.

 

            a) Me tira al suelo.

            b) Nos caemos juntos.

            c) El corredor no pudo frenar.

4.-  Jugando fútbol tiro un penalti y meto gol, pero la portería tiene red.

            a)   La pelota se detiene por la red.

            b)   Se rompe la red si la pelota lleva 

                  mucha velocidad.

Espera, ¿no hay gravedad en la estación espacial?

En el siguiente vídeo, podemos ver que los objetos en la estación espacial internacional permanecen en reposo o continúan con velocidad constante relativa a la estación espacial hasta que son sujetos a alguna fuerza. 

La idea de que los objetos solo cambian su velocidad debido a una fuerza, está englobada en la primera ley de Newton.

Primera ley o ley de inercía	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 actua 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.

Cada cuerpo material persiste en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que una fuerza, que actúa sobre el cuerpo, lo obligue a cambiar de estado.

¿Qué realmente quiere decir esta ley, que se conoce también con el nombre de ley de inercia?

En su redacción aparece la palabra fuerza, luego para interpretar la ley de inercia debemos reafirmar a nuestro conocimiento sobre qué es una fuerza:

“FUERZA ES EMPUJAR O JALAR”

La primera ley entonces establece que cualquier cuerpo material, al que nadie ni nada empuja o tira, se trasladará con una velocidad constante (es decir, se moverá en línea recta con una rapidez uniforme). O bien si la velocidad es cero, o sea, el cuerpo está en reposo, continuará en reposo a menos que una fuerza modifique su estado de reposo. 

Consideremos un ejemplo:  

Como sabemos el movimiento es relativo, es decir, depende de cuál sea el observador que describa el movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento.

Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.

En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial.

¿Por qué los objetos pierden rapidez?

Antes de Galileo y Newton, mucha gente pensaba que los objetos perdían rapidez debido a que tenían incorporada una tendencia natural para hacerlo. Pero esas personas no estaban tomando en cuenta las múltiples fuerzas aquí en la Tierra —por ejemplo, la fricción, la gravedad y la resistencia del aire— que causan que los objetos cambien su velocidad. Si pudiéramos ver el movimiento de un objeto en el espacio interestelar profundo, seríamos capaces de observar las tendencias naturales de un objeto que está libre de cualquier influencia externa. En el espacio interestelar profundo observaríamos que, si un objeto tuviera una velocidad, continuaría moviéndose con esa velocidad hasta que hubiera alguna fuerza que causara un cambio en su movimiento. Del mismo modo, si un objeto estuviera en reposo en el espacio interestelar, se mantendría en reposo hasta que hubiera una fuerza que causara un cambio en su movimiento.

Primera ley de Newton: un objeto en reposo permanece en reposo o, si está en movimiento, permanece en movimiento a una velocidad constante, a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.

Observa el uso repetido del verbo "permanece". Podemos pensar esta ley como la que preserva el estado actual del movimiento. La primera ley de movimiento de Newton establece que debe haber una causa —que es una fuerza externa neta— para que haya un cambio en la velocidad, sea en magnitud o en dirección. Un objeto deslizándose a lo largo de una mesa o del piso pierde rapidez debido a la fuerza neta de fricción que actúa sobre él. Pero en una mesa de hockey de aire, donde el aire mantiene el disco separado de la mesa, el disco continúa moviéndose

¿Qué significa la masa?

La propiedad de un cuerpo de permanecer en reposo o permanecer en movimiento con velocidad constante se llama inercia. La primera ley de Newton a menudo es llamada la ley de la inercia. Como sabemos por experiencia, algunos objetos tienen mayor inercia que otros. Obviamente es más difícil cambiar el movimiento de una roca grande que el de una pelota de básquetbol, por ejemplo.

La inercia de un objeto se mide por su masa. La masa puede ser determinada al medir qué tan difícil le resulta a un objeto acelerar. Mientras más masa tenga un objeto, más difícil le será acelerar.

También, en términos generales, mientras más "sustancia" —o materia— haya en algo, más masa tendrá, y más difícil será cambiar su velocidad, es decir, acelerarlo.

¿Cómo se ven algunas preguntas resueltas que involucran la primera ley de Newton?

Ejemplo 1: sonda espacial a la deriva

Una sonda espacial a la deriva se mueve hacia la derecha con velocidad constante en el espacio profundo interestelar, lejos de cualquier influencia debida a planetas y estrellas, con sus cohetes apagados. Si dos de sus propulsores se encendieran simultáneamente, ejerciendo fuerzas idénticas hacia la derecha y hacia la izquierda en las direcciones mostradas, ¿qué le pasaría al movimiento del cohete?

A. La sonda espacial continuaría con velocidad constante.
B. La sonda espacial aumentaría su rapidez.
C. La sonda espacial disminuiría su rapidez y eventualmente se detendría.
D. La sonda espacial se detendría inmediatamente.

La respuesta correcta es A. De acuerdo con la primera ley de Newton, una fuerza neta distinta de cero es necesaria para cambiar la velocidad de un objeto. La fuerza neta sobre la sonda espacial es cero —ya que las fuerzas sobre ella se cancelan— por lo que no hay un cambio en la velocidad de la sonda.

Primera ley de Newton: ley de la inercia

La ley de la inercia o primera ley postula que un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento recto con una velocidad constante, a menos que se aplique una fuerza externa.

Dicho de otro modo, no es posible que un cuerpo cambie su estado inicial (sea de reposo o movimiento) a menos que intervengan una o varias fuerzas.

La fórmula de la primera ley de Newton es:

Σ F = 0 ↔ dv/dt = 0

Si la fuerza neta (Σ F) aplicada sobre un cuerpo es igual a cero, la aceleración del cuerpo, resultante de la división entre velocidad y tiempo (dv/dt), también será igual a cero.

Un ejemplo de la primera ley de Newton es una pelota en estado de reposo. Para que pueda desplazarse, requiere que una persona la patee (fuerza externa); de lo contrario, permanecerá en reposo. Por otra parte, una vez que la pelota está en movimiento, otra fuerza también debe intervenir para que pueda detenerse y volver a su estado de reposo.

Aunque esta es la primera de las leyes del movimiento propuestas por Newton, este principio ya había sido postulado por Galileo Galilei en el pasado, por lo que se atribuye a este último su autoría, y Newton su publicación.

Primera ley de Newton

La primera ley de Newton, también conocida como principio de inercia, establece que un cuerpo no modifica su estado de reposo o de movimiento si no se aplica ninguna fuerza sobre él, o si la resultante de las fuerzas que se le aplican es nula. Es decir, que se mantendrá en reposo si estaba en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si se encontraba en movimiento.

     ∑F→ = 0⇔ {v→= cte →v0→=0⇒v→ =0 (reposo)v0→≠0⇒v→}=v0→=

     cte (m.r.u.)

De aquí se deduce que:

• Todos los cuerpos se oponen a cambiar su estado de reposo o movimiento y esta oposición recibe el nombre de inercia. La masa de un cuerpo, entendida como su cantidad de materia, es una medida cuantitativa de la inercia de un cuerpo.
• Un cuerpo se encuentra en equilibrio cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre él sea nula.

Definición diferencial

Podemos hacer una definición más formal de este primer principio utilizando derivadas. ¿Recuerdas cuál es el significado físico de una derivada? Efectivamente, la derivada de una función nos indicaba cómo variaba dicha función. Si decimos que, en ausencia de fuerzas externas, la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo, lo que estamos diciendo es que la derivada de la velocidad respecto al tiempo es cero, es decir, no hay variación de la velocidad respecto al tiempo. Así, podemos expresar la primera ley de Newton:

∑F= 0⇔ d v d t= 0

Inercia y momento lineal

Como ya sabemos, el movimiento de un cuerpo se caracteriza por su cantidad de movimiento o momento lineal, que relaciona su masa con su velocidad. Asumiendo que la masa dude un cuerpo permanece constante a lo largo del movimiento, esta ley se puede enunciar de la siguiente forma:

El momento lineal o cantidad de movimiento de un cuerpo aislado permanece constante.

∑F→=0 ⇔p→= constante

Se trata del principio de conservación del momento lineal, sobre el que profundizaremos en un apartado posterior.

Sistemas de referencia inerciales y no inerciales

En el tema dedicado al estudio del movimiento hemos resaltado la importancia del sistema de referencia a la hora de decir si un cuerpo se mueve o no. Cabe aquí hacerse una pregunta parecida: ¿se cumple la primera ley de Newton para cualquier sistema de referencia?

Sistemas de referencia con velocidad constante y acelerados

En las figuras precedentes se muestra un cuerpo y tres sistemas de referencia con distinto comportamiento. Desde nuestro punto de vista, exterior a ambos, el cuerpo permanece en reposo en los tres casos, y es el observador (sistema de referencia) el que se desplaza hacia la derecha en el segundo y el tercer caso. Ten presente que idealmente el observador, al ser él mismo el propio sistema usado como referencia, no es capaz de percibir su propio movimiento, en caso de producirse.

Vamos a analizar las tres situaciones para ver si cumplen la primera ley de Newton:

1. En la primera situación es evidente que el observador, en reposo, percibe el objeto también en reposo, y, por tanto, su momento lineal permanece constante. El primer observador puede afirmar que sobre el cuerpo no actúa ninguna fuerza. Se cumple la primera ley de Newton
2. En la segunda situación el observador se aleja del cuerpo a una velocidad constante (es decir, en m.r.u.). Dado que no es capaz de percibir su propio movimiento, y a falta de cualquier otro elemento que le sirva de referencia, percibirá que es el cuerpo el que se aleja de él a velocidad constante. En cualquier caso, también él podrá afirmar que sobre el cuerpo no actúa ninguna fuerza, al no variarse la velocidad a la que se aleja el cuerpo, y, por tanto, permanece constante su momento lineal. También podemos decir que se cumple la primera ley de Newton
3. El tercero de nuestros observadores es el más especial. Se aleja del cuerpo cada vez más rápido (es decir, mediante un m.r.u.a.), que le hará percibir que el cuerpo posee una aceleración, es decir, que varía su velocidad y por tanto su momento lineal. Para que se siga cumpliendo la primera ley de Newton, el observador tendrá que decir que hay una fuerza actuando sobre el cuerpo

Vemos que la observación que realizan los dos primeros observadores no concuerda con la del tercero, a pesar de que el cuerpo tiene el mismo comportamiento... Para que se siga cumpliendo la primera ley, el tercer observador debe introducir una fuerza ficticia (pues no responde a ninguna interacción), que se conoce como fuerza de inercia. Esto nos permite distinguir de manera clara dos tipos de sistemas de referencia:

Decimos que un sistema de referencia es inercial cuando cumple el principio de inercia (y en consecuencia las leyes físicas). Los sistemas de referencia en reposo o con velocidad constante son inerciales.

Decimos que un sistema de referencia es no inercial cuando no cumple de igual manera que los inerciales el principio de inercia (y en consecuencia las leyes físicas). Los sistemas de referencia con aceleración de cualquier tipo son no inerciales.

Observa que en la propia definición que hemos hecho está implícito un segundo observador: nosotros mismos. Así, por simplicidad decimos: "los sistemas inerciales están en reposo o con velocidad constante". En realidad, cabría decir "los sistemas inerciales están en reposo mutuo o se desplazan con velocidad constante relativa".

Newton consideró el espacio absoluto, una especie de sistema de referencia en reposo absoluto respecto al cual tendrían sentido los conceptos de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. Entendía que un sistema en reposo sería aquel que lo estuviera respecto a estrellas fijas, que son aquellas que no se desplazan unas respecto a otras.

Finalmente, el propio Newton se dio cuenta de que quizás no exista en la realidad ningún cuerpo que esté en reposo total. Efectivamente, es imposible encontrar en la realidad sistemas de referencia inerciales, ya que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos. En cualquier caso, siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial.