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Las fuerzas y su carácter vectorial

Vectores para representar fuerzas

Las fuerzas son magnitudes vectoriales y se representan mediante vectores. Las fuerzas, por lo tanto, se miden por su intensidad o módulo (en Newtons, N), su dirección (la recta sobre la que se encuentra), su sentido (orientación) y su punto de aplicación.

Vector
Dnu72 para Wikipedia. Vector (CC BY-SA)

Y también se suman y restan con las mismas reglas vectoriales. Dos o más fuerzas con el mismo punto de aplicación y la misma dirección dan como resultante otra fuerza que tiene la misma dirección y sentido, y, su módulo será la suma de los módulos. Si tienen la misma dirección pero sentidos contrarios, sus valores se restan y la fuerza resultante tiene el sentido de la mayor de ellas.

El peso de un cuerpo es la fuerza con la que la Tierra lo atrae. La dirección del peso es vertical y su sentido es hacia el centro de la Tierra. El peso es proporcional a la masa de cuerpo y se calcula como P = m · g,  donde P es el peso de cuerpo en newtons (N), m es la masa del cuerpo en kilogramos (kg) y g es una constante, la gravedad, cuyo valor es 9,8 m/s² en la Tierra. Por ejemplo, si un objeto tiene una masa de 40 kg, su peso será 40 · 9,8 =392 N.

Fuerza resultante
Monografías.com. Fuerza resultante (Dominio público)

Tarea: ejercitándose en fuerzas mediante simulaciones

Tiempo
2 sesiones/ 2horas
Agrupamiento
En parejas

Para comprender mejor todos estos conceptos, nos vamos a ejercitar con tres simulaciones.

Trabajaremos en parejas con un ordenador o dispositivo digital. Seguiremos las indicaciones que se explican en cada una de las simulaciones y escribiremos los resultados en nuestro cuaderno, poniendo ejemplos, que se nos ocurran, de la vida real. Vamos a ir trabajando desde lo más abstracto a lo concreto. En la primera simulación, trabajaremos con vectores y sus componentes (dirección, sentido, módulo...). En la segunda, comprobaremos las operaciones entre fuerzas (suma, resta) y, por último, operaremos con una fuerza muy conocida, el peso, para diferenciarla de otra magnitud, la masa.

Comenzamos.

1. Entendiendo los vectores. Simulación PHET: adición de vectores

Vamos a trabajar solo en la pantalla "Explorar 2D". Activamos la casilla “cuadrícula”. Cogemos dos vectores  y los colocamos en cualquier lugar de la cuadrícula con estas condiciones. Los valores irán apareciendo en la barra "Valores del vector":

  • El primero con una dirección perpendicular al eje X, sentido hacia arriba y un módulo de 12 N.
  • El segundo con una dirección perpendicular al eje X, un sentido hacia abajo y un módulo de 17 N.
  • Calculamos la resultante y lo comprobamos (“mostrar suma”). Hacemos el esquema de fuerzas en nuestro cuaderno y ponemos un ejemplo.
  • Trabajamos con los mismos vectores anteriores, los vamos cambiando a otros lugares, siempre perpendiculares al eje X.  ¿Qué componentes cambian y cuáles no? Explicamos por qué.
  • Sin eliminar los vectores anteriores, los colocamos sobre el eje Y. ¿Qué componentes cambian y cuáles no? Explicamos por qué y ponemos un ejemplo de sistema de fuerzas.
  • Eliminamos los vectores anteriores, y hacemos un par de ejercicios libres con otros dos vectores que queramos. Siempre haremos el esquema de fuerzas en nuestro cuaderno poniendo un ejemplo.

2. Sumando y restando fuerzas. Simulación: PHET: suma de fuerzas

Seguimos ejercitándonos en fuerzas y vectores, con un ejemplo concreto.

  1. Activamos la casilla “suma de fuerzas” y vamos colocando los monigotes de uno en uno. Nos fijamos en la suma de las fuerzas, su dirección, su sentido y los de la resultante.
  2. Activamos la casilla “valores” y colocamos, uno a uno, los monigotes rojos. ¿Cuánta fuerza hace cada uno de ellos? A continuación vamos poniendo los azules y explicamos el por qué del valor de la resultante.
  3. Jugamos con la tecla central “inicio”, colocando distintas fuerzas y observando el resultado de la resultante.

3. El peso, una fuerza concreta.

Para terminar con nuestro trabajo, vamos a descubrir la diferencia  entre masa y peso, ya que son dos magnitudes distintas y, sin embargo, en el lenguaje cotidiano, las utilizamos indistintamente para expresar lo mismo.  Para ello usaremos la simulación de Jesús Peñas, en Educaplus:  masa y peso.

Para visualizarla es necesario tener instalado el plugin de FlashPlayer en el navegador (preferiblemente Firefox). Si tenemos alguna duda, podemos consultar el Tutorial para autorizar el Flash Player en  Firefox.

  1. No tenemos más que seguir las indicaciones que se marcan en la simulación avanzando por las puntos 1, 2, 3 y 4.
  2. Hacemos los cálculos necesarios con la calculadora de la propia simulación y escribimos el resultado en nuestro cuaderno.
Masa y peso
Jesús Peñas, Educaplus. . Masa y peso

Reflexión y evaluación

Una vez que hemos finalizado la tarea, es un buen momento para reflexionar en nuestro diario de aprendizaje. Algunas sugerencias pueden ser:

  • ¿Qué he aprendido?
  • ¿Qué me ha sorprendido más de todo el proceso? ¿Por qué?
  • ¿He cambiado alguna idea previa? ¿Cuál?
  • ¿Qué me ha resultado más difícil? ¿Por qué?

Evaluación

La tarea se evalúa con la siguiente escala para valorar simulaciones en ciencias (descargar en formato editable odt y en pdf):