Interacción ENTRE SISTEMAS
Las interacciones fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.
Por ello, en el contexto escolar debe introducirse de un modo menos abstracto, diferenciando fenomenologías y asociando fuerzas.
Concepto de interacción:
La interacción siempre es del mismo tipo pero sus efectos dependen de la fuerza asociada que se genera, una magnitud vectorial que determina dirección y velocidad que toma el balón. La idea de interacción requiere contemplar de modo reciproco la acción de un cuerpo sobre otro.
Puede decirse que el entre el balón y el futbolista, el balón golpea al pie con una fuerza igual y contraria a la que hace que salga despedido y entre a la portería.
Algo similar ocurre con la interacción gravitatoria que cada persona mantenemos con la tierra. Esta interacción es de naturaleza atractiva, la tierra nos atrae a nosotros y viceversa.
Las interacciones fundamentales pueden describirse como sigue:
- La interacción gravitatoria actúa entre masas, es siempre de naturaleza atractiva lleva asociada una fuerza y se debilita con la distancia. Es la mas débil de las 4 pero la responsable del peso, el giro de los planetas, la flotación, las mareas… la estructura del universo.
- La interacción electromagnética actúa entre cargas eléctricas, puede ser de atracción o de repulsión, lleva asociada una fuerza y se debilita con la distancia. Es la responsable de las uniones entre los átomos y moléculas, de que la luz ilumine los objetos…
- La interacción nuclear fuerte actúa entre las partículas presentes en el núcleo atómico, siempre de atracción. Lleva asociada una fuerza y solo actúa a distancias pequeñísimas. Es la mas intensa de todas las interacciones y la responsable de que exista la materia tal y como la conocemos.
- La interacción nuclear débil actúa en el interior de los núcleos a distancias pequeñísimas. Es mucho mas débil que la nuclear fuerte y la responsable de la desintegración de los neutrones en protones y electrones.
La fuerza es una magnitud vectorial, para que este completamente representada el resultado de la interacción, debe asignársele un módulo, dirección o sentido.
Sistema de fuerzas resultante:
El comportamiento de un objeto suele ser el resultado de múltiples interacciones.
Por ello, debe hablarse de resultante de un sistema de fuerzas que viene a representar los efectos de la acción conjunta de todas las interacciones sobre el objeto en un momento dado.
El objeto o sistema material puede estar en equilibrio o no. Cuando el objeto esta en equilibrio, la resultante del sistema de fuerzas es 0. Esto implica que el objeto carece de aceleración, lo que se cumple cuando esta en reposo o cuando se mueve con una velocidad constante. ****
Leyes de Newton:
Todos los sistemas de fuerzas cumplen las tres leyes de Newton: la de inercia, la ecuación fundamental de la dinámica y el principio de acción-reacción.
La ley de la inercia dice que un objeto mantiene su estado de reposo o movimiento indefinidamente salvo que aparezca alguna fuerza que lo modifique.Esta ley explica porque un objeto no se mueve x si solo o porque el rozamiento es la fuerza responsable de que un objeto termine parándose.
La ley fundamental de la dinámica dice que, cuando un objeto alcanza una fuerza, adquiere una aceleración, en la misma dirección y sentido, inversamente proporcional a la masa del objeto.
(F m·a). Esta ley explica porque los objetos cuando se mueven lo hacen siguiendo una trayectoria determinado, recorren una mayor o menor espacio y tienen duración.
La tercera ley, el principio de acción-reacción, dice que cuando un objeto A ejerce una fuerza sobre otro B, aparece una fuerza igual o contraria de B sobre A. Esta ley explica porque el suelo no se hunde ante el peso de un objeto.
MEDIDAS DE FUERZA: DINAMÓMETROS
Para medir la fuerza utilizaremos el dinamómetro, cuyo fundamento y construcción es una aplicación de la ley de Hooke.
El dinamómetro es un muelle dentro de una carcasa. Un muelle esta formado por un alambre enrollado de forma helicoidal. Cuando se ejerce una fuerza sobre el (P) se deforma de manera que aumenta su longitud. También que cuando deja de actuar la fuerza deformante (P), la longitud del muelle vuelve a ser inicia, debido a que actúa una fuerza elástica (M) que se opone a la deformación.
Cuando el muelle esta en equilibrio, ambas fuerzas son iguales dado que la fuerza resultante es nula.
Esta fuerza elástica de lo mueles que aparece cuando se estiran o comprimen puede ser aplicada sobre objeto con alguna utilidad, por ejemplo, en la suspensión de automóviles.
Hooke trabajaba con cuerpos elásticos, llego a descubrir que el alargamiento era proporcional a la fuerza que se realiza sobre el mismo: Donde P es la fuerza deformante, Ax es el alargamiento del muelle y k es la constante de proporcionalidad.
EL ESTUDIO DE LAS MAQUINAS Y APARATOS
La rueda, la palanca, polea y rampa son maquinas simples cuyo funcionamiento responde a las leyes físicas, pero cuando son utilizadas para la tecnología actual como operadores mecánicos.
Podemos decir que existen varios tipos de operadores:
- Operadores mecánicos, como la palanca, muelle o rueda.
Operadores eléctricos, como interruptor o lampara.
Operadores electrónicos, como los diodos.
Operadores neumáticos, como una bomba de aire.
Operadores hidráulicos, como una llave de paso de un grifo.
En el caso de los operadores mecánicos, en función de la actividad que realizan pueden ser de varios tipos:
- Operadores que pueden deformarse y recuperar su punto de partida, como muelles o gomas.
- Operadores que transmiten el movimiento, como los ejes, ruedas, corres.
- Operadores que transforman la fuerza ejercida sobre ellos, como las palancas, tornillos.
Normalmente, dos operadores pueden aparecer unidos entre si, formando lo que se denomina mecanismo. Varios mecanismo pueden agruparse para forma una maquina.
Maquina simple:
Una maquina simple es un dispositivo en el que tanto la energía que se suministra como la que se produce se encuentra en forma de trabajo mecánico y todas sus partes son sólidos rígidos. El trabajo mecánico no debe interpretarse como sinónimo de esfuerzo sino como una magnitud escalar que mide la fuerza que hay que aplicar sobre un objeto para producir un determinado desplazamiento.
En una maquina simple se combinan las fuerzas y los movimientos.
Funcionamiento y utilidad de las maquinas:
En cada maquina, el funcionamiento responde a una ley que establece una relación cuantitativa entre las dos magnitudes (fuerza y distancia)
que determinan el trabajo mecánico que se realiza y se obtiene.
La utilidad de cada maquina se mide por su rendimiento que responde a un balance entre la energía gastada y la energía generada.
Las maquinas pueden ser estudiadas tanto desde una perspectiva energética como dinámica.
La energética parte de que, si hay rozamiento, en una maquina se cumple el principio de conservación de la energía:
La energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma. Emplea conceptos como trabajo aplicado o realizado, trabajo útil o resultante y trabajo realizado por las fuerzas de rozamiento.
En el segundo caso, la perspectiva dinámica, los elementos mas carácterísticos son la fuerza aplicada y la resistencia o fuerza obtenida:
esta perspectiva considera condiciones ideales para deducir la ley de cada maquina.
La utilidad de la maquina viene dado por 3 paramentos:
el rendimiento o eficiencia (E), la ventaja mecánica (VM) y la ventaja de velocidad (VV), mediante la relación E – MV·VV.
El rendimiento es la relación entre el trabajo útil y el trabajo realizado. La ventaja mecánica es la relación entre la resistencia y la fuerza aplicada. La ventaja de velocidad es la relación entre la velocidad alcanzada por la resistencia y la velocidad del punto donde se aplica.
La rueda:
Es una pieza mecánica circular que gira alrededor de un eje. Puede ser considerada una maquina simple pero también puede formar parte de otras, siendo entonces un elemento.
La rueda es uno de los inventos fundamentales de la humanidad.
Se utiliza sin duda para el transporte.
Cualquier rueda basa su funcionamiento en el par de fuerzas motrices (AyB)
Que actúan en la misma dirección y sentido contrario dando como resultado el movimiento de translación.
Que la rueda sea considerada una maquina simple se debe a que la fuerza aplicada se transmite a través del eje de giro a cualquier otro punto de la rueda, dando lugar a una fuerza resultante, siendo las intensidades de ambas fuerzas inversamente proporcionales a sus respectivos radios de giro.
F X R – f x r
Siempre que la fuerza aplicada actué sobre el radio mayor, la fuerza resultante será ventajosa para cualquier otro radio menor; la ventaja será mecánica.
Si la fuerza aplicada actué sobre el radio menor, la ventaja será de velocidad.
En la bici, tiene un mecanismo de 3 partes: pedal-plato-cadena-piñon-rueda.
Primero el pedal transmite el movimiento al plato (rueda grande) aumentando la intensidad de la fuerza resultante, por tanto, con ventaja mecánica:
Después, la cadena trasmite el movimiento al piñón (rueda pequeña) con una fuerza de la misma intensidad. Por ultimo, el piñón transmite el movimiento a la rueda de la bici con una fuerza resultante menor en la cámara pero con ventaja de velocidad, al ser el radio mayor.
La palanca:
Es una maquina simple que sirve para transmitir una fuerza o un desplazamiento. La barra rígida que puede girar libremente alrededor del punto de apoyo se llama fulcro.
Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto (VM) o para incrementar su velocidad (VV) en respuesta a la aplicación de una fuerza.
Ley de la palanca
Hay que considerar los siguientes factores:
La fuerza aplicada (F)
Es la que aplicamos para obtener un resultado.- la resistencia (R):
La fuerza que tratamos de vencer con la palanca. El brazo de la fuerza aplicada (b ):
es la distancia entre el punto donde se aplica la fuerza y el punto de apoyo o fulcro.El brazo de la resistencia (b )
Es la distancia entre el punto donde se aplica la resistencia y el punto de apoyo.El peso de la barra (P)
Es la fuerza ejercida por la tierra sobre la barra.La fuerza de apoyo (N)
La fuerza normal ejercida por el fulcro sobre la barra como reacción a su peso.
La ley de la palanca se anuncia: fuerza por su brazo es igual a resistencia por el suyo*
Las palancas se dividen en 3 géneros:
Palanca de primer genero:
es esta, el fulcro se encuentra situado entre la fuerza aplicada y la resistencia. Se caracteriza porque la fuerza aplicada puede ser menor, igual o mayor que la resistencia, en función del brazo de la fuerza aplicada y el de la resistencia. El balancín, las tijeras, tenazas, alicates.
Palanca de segundo genero:
la resistencia se encuentra entre la fuerza aplicada y fulcro. Se caracteriza porque la fuerza aplicada es siempre menor que la resistencia. Son la carretilla, el cascanueces.. El cuerpo humano, en cada paso que apoya el pie (fulcro) para levantar el cuerpo (R) por contracción del gemelo (F)Palanca de tercer genero:
la fuerza aplicada se encuentra entre la resistencia y el fulcro. Se caracteriza porque la fuerza aplicada es siempre mayor que la resistencia. Caña de pescar, quitagrapas, pinza de cejas.
La polea:
Es una maquina simple. Se trata de una rueda, maciza y acanalada en su borde, en la que se introduce una cuerda o cable que se hace pasar por el canal (garganta).
Los elementos de una polea son:
la rueda o polea propiamente dicha, en cuya circunferencia suele haber una acanaladura denominada “gargantilla” cuya forma se ajusta a la de la cuerda al fin de guiarla…
Las poleas se clasifican en fijas, aquellas que se suspenden de un punto fijo y no sufren movimiento de translación (solo rotación) y móviles, la que el extremo de la cuerda se suspende de un punto fijo y durante su funcionamiento se desplazan verticalmente (translación y rotación)
Polea simple fija:
Las fuerzas existentes en un cuerpo colgado de la simple fija son:
- la fuerza aplicada (F):
la que aplicamos para obtener un resultado. - la fuerza de atracción de la tierra al objeto colgado de un extremo de la cuerda, también conocida como peso (P). En este caso, esta fuerza es la resistencia (R)
Ley de la polea fija:
FR Una polea fija no supone una ventaja mecánica: la fuerza debe aplicarse es la misma que sin polea.
Polea simple móvil:
Las fuerzas existentes en un cuerpo colgado son:
La fuerza aplicada (F)
Es la fuerza que aplicamos para obtener un resultado.Resistencia (R)
La ley de la polea móvil sin rozamiento es : F R/2
La polea simple móvil produce ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la mitad de la fuerza que habría sido requerida para izarla sin la polea.
Poleas compuestas:
Sirven para elevar pesos con bajo esfuerzo. Las poleas se distribuyen en dos grupos, uno fijo y uno móvil.
Puede haber distintas combinaciones de poleas. Si son 4 la ley del polipasto es: F R/4
El polipasto con cuatro poleas produce una ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la cuarta parte de la fuerza que habría sido requerida para izarla sin el polipasto.
La rampa:
Es una maquina simple que consiste en una superficie plana que forma un ángulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura o dejarlos caer.
El plano inclinado actúa solo para subir objetos, la rampa para subir y bajar.
La ley de la rampa:
F R·sena
Esta maquina tiene ventaja mecánica optima, es decir, se necesita una fuerza menor que la que se emplea si levantamos dicho cuerpo verticalmente aunque a costa de aumentar la distancia recorrida. Tiene una ventaja de velocidad pésima.
Experiencias e ideas previas de los alumnos de primaria sobre maquinas y aparatos:
- Piensan que cualquier maquina debe ser sofisticada, no consideran que una rampa, rueda o polea fija puedan ser una maquina.
- Se ven influenciados por un finalísimo simple y x aspectos perceptivos; usan interpretaciones artificialistas y animalistas en relación con los hechos y fenómenos.
- tiene problemas con la descomposición de las fuerzas y no pueden usar relaciones trigonométricas.
- les resulta irrelevante el principio de conservación. Asocian energía con fuerza.
- centran su razonamiento en la formula que ha de aplicarse y no en el concepto de maquina.
- usan indistintamente termino como fuerza aplicada, potencia, trabajo..
- tienen problemas para identificar algunas variables
- consideran las fuerzas de rozamiento como algo destructivo.
ademas hay otros obstáculos derivados de los conocimientos implicados:
- tienen problemas para identificar la presencia o ubicación del aire, piensas que los gases no tienen masa ni pesan.
- no conservan la materia ni el peso
- confunden masa con peso.
- confusiones entre masa-volumen y peso-volumen.
- establecen relaciones inexistentes y, sin embargo, son incapaces de establecer relaciones entre una propiedad y varias variables.