I.E.D. MONSEÑOR AGUSTIN GUTIERREZ - FÓMEQUE

Física Grado: décimo Periodo 3 Docentes : Raquel Esther Rodríguez Néstor Julian Salazar

Tema: Dinámica (PARTE III)FUERZAS MECANICAS ESPECIALES

Nombre:_______________________Curso:_________________________Fecha: ________________________Tiempo: 4 semanas

DESEMPEÑOS:Para aprender: Reconoce y explica las fuerzas mecánicas especiales que actúan sobre un cuerpo ya sea en reposo o en movimiento.Para hacer: Analiza y resuelve gráfica y analíticamente problemas sobre fuerzas mecánicas relacionándolas con gestos deportivos.A partir del entendimiento de las leyes de Newton, hacer una representación gráfica de las fuerzas que intervienen en el desarrollo de un gesto de movimiento, a partir de la realización de un diagrama de cuerpo libre.Parra ser: Es responsable en el proceso de solución trabajos y talleres y aplica sus conocimientos a diferentes entornos deportivos.Para convivir: Manifiesta actitudes de respeto y tolerancia en el desarrollo de las actividades y al dirigirse a sus compañeros y docente mediante el trabajo virtual.FUENTES DE CONSULTA: La física del deporte https://uruguayeduca.anep.edu.uy/sites/default/files/2017-06/Fisica_en_el_deporte_Carlos_Moreno_compressed.pdfBIOMECÁNICA: de la física mecánica al análisis de gestos deportivoshttps://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/12464/Obracompleta.2018Estradayisel.pdf?sequence=1

ACTIVIDADES:Talleres individuales.Experiencias de laboratorio.Observación y análisis de video Modelaciones.Lecturas relacionadas.

EVALUACION.Sustentación individual de las actividades y ejercicios propuestos.Autoevaluación, según rubrica propuesta por la docente.

FUERZAS MECÁNICAS ESPECIALES

Las fuerzas mecánicas especiales, son fuerzas que por la forma en que actúan sobre otros cuerpos, presentan características diversas y se hace necesario diferenciarlas por su efecto, dirección y sentido.

En la imagen se observa que existen dos fuerzas, representadas con vectores hacia adelante y hacia arriba, comprobando que para que un objeto modifique su estado de reposo o de movimiento, necesita de la acción de una fuerza, en el movimiento del atleta se observan asi:

Fa= Fuerza de acción o aplicada, que hace que el atleta se mueva hacia adelante.

FN= fuerza normal, que hace que el deportista también se desplace hacia arriba.

Fg= fuerza de gravedad, que se encarga de atraer al deportista de nuevo al piso. Y determina el peso.

Fµ= Fuerza de fricción, que en este caso es ejercida por el viento sobre el cuerpo del deportista y por el sobre la superficie de su zapato.

Fe= Fuerza elástica, determinada por los músculos y tendones del deportista.

Los vectores que se señalan sobre el deportista, están ubicados sobre un sólo punto y el diagrama que se representa se denomina diagrama de cuerpo libre. Lo cual indica que el cuerpo del deportista se representa como un solo punto sobre el cual actúan las cuatro fuerzas.

EL PESO ( W) :WrightGalileo afirmó que todos los objetos que se soltaran cerca de la superficie terrestre caerían con la misma aceleración, g, siempre y cuando se eliminara la resistencia del aire. La fuerza que origina esta aceleración es la fuerza de la gravedad. Se ha determinado que el valor numérico (o módulo) de dicha fuerza corresponde a 9,8 m/s2. Es decir que el peso es el efecto de la gravedad sobre los cuerpos w=mg

El peso no es una propiedad de los cuerpos, sino que es el resultado de la interacción de éstos con la Tierra. En otras palabras, el peso es una fuerza. Dicha fuerza se representa como una flecha que siempre se dirige hacia abajo, hacia el centro de la Tierra.Es una aplicación de la tercera ley de Newton, es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la tierra sobre los cuerpos que hay sobre ella.

El peso siempre está dirigido hacia abajo

La masa de un cuerpo no debe confundirse con su peso. La masa depende de la cantidad de materia que tiene el cuerpo y es constante, no depende de dónde esté.

El peso de un cuerpo varía con la gravedad, a mayor gravedad, mayor peso. No es lo mismo el peso en la Tierra que el peso en otro planeta. Pero además en la tierra también vari dependiendo la ubicación de los cuerpos.

Peso=¿ El peso es negativo. W =−m. g si el cuerpo esta sobre una

superficie horizontal

Si el peso se ejerce sobre un plano inclinado se debe tener en cuenta el ángulo de inclinación. Y tiene componentes en el eje xy en el eje y

W x=mgcosθW y=mgcosθ

LA FUERZA NORMAL (N)

Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la de la superficie. De acuerdo con la Tercera ley de Newton, la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma magnitud y dirección, pero de sentido contrario

La normal es igual al peso pero siempre positiva.

Si el peso se ejerce sobre un plano inclinado se debe tener en cuenta el ángulo de inclinación. N=mgcosθ

FUERZA DE ROZAMIENTO

La fuerza de rozamiento; aparece cuando hay dos cuerpos en contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento de los cuerpos. Es la causante, por ejemplo, de que podamos caminar (cuesta mucho más caminar sobre una superficie con poco rozamiento, hielo, por ejemplo, que por una superficie con rozamiento como, por ejemplo, un suelo rugoso). Existe rozamiento incluso cuando no hay movimiento relativo entre los dos cuerpos que están en

contacto. Hablamos entonces de Fuerza de rozamiento estático.

Por ejemplo, si queremos empujar un armario muy grande y hacemos una fuerza pequeña, el armario no se moverá. Esto es debido a la fuerza de rozamiento estática

que se opone al movimiento. Si aumentamos la fuerza con la que empujamos, llegará un momento en que superemos está fuerza de rozamiento y será entonces cuando el armario se pueda mover. Una vez que el cuerpo empieza a

moverse, hablamos de fuerza de rozamiento dinámica. Esta fuerza de rozamiento dinámica es menor que la fuerza de rozamiento estática. La experiencia nos muestra que:

la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto entre los dos cuerpos, pero sí depende de cuál sea la naturaleza de esa superficie de contacto, es decir, de que materiales la formen y si es más o menos rugosa.

la magnitud de la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos en contacto es proporcional a la normal entre los dos cuerpos, es decir:

F r=µ· N Entonces Fr=µ• mg .cosθDonde µ es lo que conocemos como coeficiente de rozamiento. Hay dos coeficientes de rozamiento: el estático, μe, y el cinético, μc, siendo el primero mayor que el segundo:

μe>μc

Si sobre el cuerpo actúan muchas fuerzas, habría que determinar primero el vector suma de todas esas fuerzas. Por último, si se tratase de un objeto que cayese hacia la tierra con una resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su peso, que provocaría una aceleración descendente igual a la de la gravedad.

FUERZAS EN UN PLANO INCLINADO

El plano inclinado es una máquina simple que consiste en una superficie plana que forma un ángulo agudo con la horizontal, es decir, es una superficie inclinada como las rampas y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura. Los planos inclinados nos permiten levantar verticalmente cuerpos pesados haciendo una fuerza menor aun cuando tengamos que recorrer una distancia mayor y vencer la fuerza de rozamiento.Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo que se mueve o esta sobre un plano inclinado son:-La NORMAL- FUERZA APLICADA (F1)- FUERZA DE ROZAMIENTO - EL PESO QUE ACTUA EN LAS COMPONENTES xyy

Si un cuerpo se coloca sobre un plano inclinado y se suelta hasta que comience a deslizarse, se mide el ángulo crítico, es decir donde el cuerpo inicia su deslizamiento. Cuando el objeto permanece en reposo, se dice que la suma de las fuerzas es cero (0).

Las componentes del peso (mg) en el eje x. ∑ F X=0 mg . senθ−μN=0

y en el eje y son ∑ FY=0 mg .COSθ−N=0

De tal manera que al igualar las ecuaciones se puede encontrar el coeficiente de rozamiento.

μ=mgsenθmgcosθ o de la misma manera μ= tanθ

Ejemplo 1 : Una caja de 60 kg de masa se encuentra en reposo sobre un suelo horizontal que posee un coeficiente estático de rozamiento de 0.6 y cinético de 0.25. Calcular:

a) La fuerza mínima necesaria para comenzar a mover la cajab) La fuerza de rozamiento y la aceleración de la caja si se aplica una fuerza horizontal de 400 N

Datos:m = 60 kgµe = 0.6µc = 0.25

La fuerza mínima con la que la caja se empezará a mover coincide exactamente con la fuerza de rozamiento estática máxima, cuya expresión matemática es:

F=Fµ(Max)=μe N recordemos que N=mgcosθ entonces la expresión queda:Fµ(Max)=μe N cos 180° por desplazarse en un plano horizontal

F µ¿

F µ¿

Datos;m = 60 kgMe = 0.6 Mc = 0.25

Resolución

F µ¿

Ejemplo2:

Para subir una caja de 50kg a cierta altura, un hombre utiliza como rampa un plano inclinado de 37° con respecto a la horizontal y ejerce una fuerza de 400N. si el coeficiente de rozamiento entre la caja y el plano es 0,1, determinar:

a. Cada una de las fuerzas que actúan sobre la cajab. La fuerza neta (suma de todas las fuerzas) que actúa sobre la caja.

Solución:Datos :

m=50 kg θ=37 °Fa=400Nx=3mμ=0,1

g=9,8 ms2

El peso del objeto es igual a: w=mg

w=50 kg (9,8 ms2 )=−490 N

Las componentes del peso son: ( recordar que el peso es negativo)

Peso en x = w x=mg senθentonces w x=50kg (9,8 ms2 )sen60=−294 N

Pesoen y=w y=mgcosθ=entonces wx=50kg(9,8 ms2 )cos60=−392 N

Recordando que la normal es igual al peso en y pero positiva entonces si el peso en Y = -392 entonces la fuerza normal es 392 N La fuerza de rozamiento es Fμ=μN entonces Fμ=0,1 (392 ) N=−39,2 N

Por tanto, para las componentes de las fuerzas expresadas en N se tiene que:

fuerzas componentes (X )(Y )

Fa=¿W=

Fμ=¿FN=¿

(400 N ,0 N )(−294 N ,−392 N )(−39,2 N ,0N )(0 N ,392 N )

Fneta=¿ (Fneta ,0 N )

Para determinar la fuerza neta se suman todas las fuerzas. Aparte las de x y las de y

fuerzas componentesF=¿W=

Fμ=¿FN=¿

(400 N ,0)(−294 N ,−392 N )

(−39,2 N ,0)(0 ,392N )

Fneta=¿ (66,8 N , 0)

La fuerza neta es de 66,8N y está dirigida hacia arriba en la dirección del plano.

Actividad 1 (Semana 5)

1. Lea y copie los conceptos básicos relacionados con las fuerzas mecánicas especiales.

2. Haga un listado de aquellos términos que no comprenda y búsquelos en el diccionario.

3. Elabore un cuadro de las ecuaciones que se utilizan

Concepto físico EcuaciónFuerza F=maPesoPeso en x Peso en yNormalFuerza de rozamientoCoeficiente de rozamiento.

Actividad 2 (semana 6)

1. Lea cuidadosamente el siguiente texto:

BIOMECÁNICA: DE LA FÍSICA MECÁNICA AL ANÁLISIS DE GESTOS DEPORTIVOS

Elementos requeridos para desarrollar un diagrama de cuerpo libre Para el desarrollo de un diagrama de cuerpo libre con los criterios y condiciones adecuadas, se necesita tener en cuenta las siguientes recomendaciones: Trazar un sistema de referencia (plano cartesiano o plano corporal) con los puntos de referencia adecuados, de acuerdo al tipo de plano que se escoja. Tener en cuenta que el punto (0,0) del plano siempre corresponderá con el centro de gravedad del cuerpo sobre el cual se pretenden representar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo (esté en reposo o en movimiento). Ubicar únicamente los vectores de fuerza que sea necesario representar en el sistema de referencia, como: fuerza de gravedad (FG), fuerza normal (FN), fuerza neta de acción o aplicada (Fa) y fuerzas de fricción o de reacción (Fµ). Para los cuerpos que se encuentran en estado de equilibrio estático, (o en reposo), solo se deben graficar dos fuerzas, la fuerza de gravedad (Fg) y la fuerza normal (FN), con respecto a un punto de referencia denominado centro de gravedad (Cg). Estos vectores de fuerza van representados en el eje Y del plano o sistema de referencia (La FG va representada generalmente en la zona negativa del eje Y, mientras que la FN va representada en la zona positiva del eje Y). Para los cuerpos que se encuentran en estado de equilibrio dinámico,

(o en movimiento), se representan gráficamente por lo menos cuatro fuerzas: fuerza de gravedad (Fg), fuerza normal (FN). Estas dos fuerzas se representarán mediante vectores, disponiéndose la Fg en la zona negativa del eje Y, mientras que la FN se ubicará en la zona positiva del eje Y. Las otras dos fuerzas que se representan para este caso son la fuerza de acción (o fuerza aplicada – Fa), y la fuerza de reacción o de fricción o rozamiento ( Fμ). El vector de fuerza de acción (Fa) quedará dispuesto generalmente en la zona positiva del eje X, mientras que el vector de la fuerza de fricción o rozamiento (Fμ) estará dispuesto en la zona negativa el eje X. La figura muestra ejemplos concretos de diagramas de cuerpo libre, en dos figuras (A y B) de gestos deportivos. Se observan los cuatro vectores de acción: fuerza de gravedad (Fg), fuerza normal (FN), ubicados en el eje Y. los vectores de la fuerza de acción (Fa) y fuerza de fricción están en el eje X. el punto de referencia del centro de gravedad (Cg) se representa con un punto negro

Se observa una atleta en pleno desempeño de su gesto deportivo (en un plano sagital). Se observa que es una persona en equilibrio dinámico En la figura B, se observa una figura en equilibrio estático (en reposo), sobre la cual actúan dos fuerzas, representadas por dos vectores: Un vector de la Fuerza de Gravedad (Fg) y un vector de la Fuerza Normal (FN).

2. Teniendo en cuenta el texto anterior trace las fuerzas (diagrama de cuerpo libre) que actúan en cada uno de los gestos deportivos que se muestran en la imágenes

Actividad 3 ( semana 7)

Ejercicios de aplicación:

Tenga en cuenta la tabla de valores de la gravedad para desarrollar los siguientes ejercicios referentes a peso (w)

Planeta Valor en m/s2

Mercurio 3,7Venus 8,87TierraLuna (satélite)

9,8

1,6

Marte 3,7Júpiter 24,8Saturno 10.44Urano 8.87Neptuno 11,15

W= mg1. ¿De qué depende el Peso de un deportista? ¿Cambia de una ciudad a otra? Justifique

2. si un astronauta de 90 kg de masa viaja a los siguientes lugares en cual pesara más? Calcular su peso:

a) En la Tierra

b) En Marte

c) En mercurio

3. ¿Cuál es el valor de "g" en la cima de una montaña si una persona de masa 80kg en ella pesa 780 N?

4. En Marte, la aceleración debida a la gravedad es de 3.7 m/s2. Si oficialmente se ha designado la masa de una barra de plata como igual a 30 kg, determine este peso en Newton en Marte.

5. Para un cuerpo que pesa en la tierra 100 N. ¿Cuál será a su peso en la luna, donde la gravedad es 1,6 m/s2

6. ¿Cuánto pesara en un planeta cuya gravedad es de 12m/s2, un objeto que en la tierra pesa 980N? (primero determine la masa)

El Peso gallo es una categoría competitiva del boxeo y otros deportes de combate, que agrupa a competidores de poco peso. En el boxeo profesional la categoría abarca a los luchadores que pesan más de 52,163 kg y menos de 53,525 kg. Si un competidor pesa 53,525kg donde le conviene pelear más en Colombia o en la Canadá? Justifique la respuesta.

7. ¿Cuál es la masa del luchador anterior en el Ecuador?

8. Si un objeto pesa en la tierra es 450N, ¿cuál será su masa en mercurio?

9. Donde tiene más masa un cuerpo en la tierra o en la luna?

Laboratorio:

ACTIVIDAD PRÁCTICA APLICACIÓN DE FUERZA Y PESO. Materiales:

Cinta métrica Morral con objetos (peso 10kg ejemplo arroz, azúcar… ) Usar ropa cómoda.

Procedimiento:Parte 1

1. Hacer un adecuado calentamiento.2. En el patio, sala o un lugar amplio marque un punto de inicio3. Desde la posición de pies separados a lo ancho de los hombros, detrás de una línea, se hace la

flexión de piernas y con balanceo de brazos realizar un salto hacia adelante.4. Registrar la distancia alcanzada, realizar tres intentos. se toma la medida desde la línea o punto

de inicio del salto hasta donde se apoyen los talones después del salto.Parte 2

5. Cargue el morral en su espalda ( para hombres 10 kilogramos y las mujeres 5 kilogramos) 6. En la misma posición y forma del primer paso realizar los tres saltos. 7. Registre los datos obtenidos en la tabla adjunta.8. Identifique las variables que modifican el resultado.9. Describa como estas variables afectan el movimiento y los resultados.10. Elija el mejor salto en cada caso.11. Representar gráficamente cada uno de los dos momentos, y en ella represente las variables físicas

que intervienen.12. Tome una o dos fotos de evidencia del desarrollo del trabajo.

Tabla de datos

W (c) x1 x2 x3

Mejor saltoW (c+m ) x1 x2 x3

Mejor salto

Actividad 4 (Semana 8)FUERZA DE ROZAMIENTO EN EL DEPORTE: El patinaje es un deporte que se puede realizar en dos superficies planas, en el hielo, y en el suelo. El patinaje produce fuerza de fricción por los patines contra el piso o el hielo. Los patinajes manejados por el humano producen una rapidez constante contra la superficie que sea.

El patinaje sobre ruedas puede desarrollarse en diversas superficies (una pista de hormigón, una calle, una plaza, etc.). Los patines tradicionales cuentan con dos ejes de cuatro ruedas cada uno, mientras que los patines en línea (también conocidos como rollers) presentan las cuatro ruedas en un mismo eje. En el caso del patinaje sobre hielo, los patines disponen de una cuchilla.

En el patinaje sobre hielo se busca disminuir el rozamiento, provocándose el cambio de estado del hielo por el aumento de presión al apoyarse en las reducidas superficies de las cuchillas y de esta manara aumentar la

velocidad.

En otras ocasiones se busca evitar que las fuerzas de rozamiento disminuyan su valor al realizar el deporte. Para ello, se colocan en las manos carbonato de magnesio (comúnmente llamado “tiza”) quienes hacen barras paralelas, levantan pesas, o realizan lanzamientos (de bala, jabalina, martillo o disco). Esta sustancia actúa como un agente de secado de las manos mediante la absorción de sudor evitando un deslizamiento

indeseable.

Ejercicios de aplicación: (básese en los ejercicios de la guía)

https://matemovil.com/fuerza-de-rozamiento-ejercicios-resueltos/ puede apoyarse en este tutorial para el desarrollo de los ejercicios.

1. Cuál es la diferencia entre coeficiente de rozamiento cinético y estático.

2. Teniendo en cuenta la lectura “la fuerza de rozamiento en el deporte”

Haga un listado de aquellos deporte que considere son afectados negativamente por la fuerza de rozamiento y aquellos que se benefician de ella y explique porque.

3. Calcula la fuerza de rozamiento que actúa sobre un objeto que se desliza sobre una superficie horizontal, cuyo coeficiente de fricción es de 0,1 si la masa del objeto es de 80kg.

4. Un bloque de 50kg es arrastrado hacia arriba por un plano inclinado que forma un ángulo de 30° y la fuerza aplicada es de 200N, el coeficiente de rozamiento entre la superficie y el bloque es de 0,1, determinar cada una de las fuerzas que actúan sobre el plano ,´y la fuerza neta que recibe el bloque.

5. Un trineo y su pasajero, juntos tienen una masa de 81,63 kg, bajan por una montaña congelada cuya inclinación es de 40° , determinar el valor de la fuerza de rozamiento experimentada por el trineo sabiendo el coeficiente de rozamiento entre el hielo y el trineo es de 0,05 .

6. El bajo nivel de fricción del hielo sobre la cuchilla (0,03), permite a un patinador mantenerse en movimiento suave sin detenerse. ésta es una aplicación de la ley de la inercia ya que la fuerza de rozamiento que es la encargada de frenar el movimiento es mínima, cual es la fuerza de rozamiento que experimentaría un patinador que pesa 490N cuando está ejerciendo su deporte en una superficie plana.