Fuerzas y aceleración (Leyes de Newton)

En la última clase de Ciencias, correspondiente al jueves 27 de octubre, tratamos algunos aspectos relacionados con la aceleración y las fuerzas que la ejercen, ligados con las tres leyes de Newton, además de realizar algunos experimentos relacionados con estos aspectos, y es sobre todo esto sobre lo que voy a hablar a lo largo de esta entrada.

Según la 1ª Ley de Newton, "Todo objeto continúa en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que actúen sobre él".

Es decir, para que un objeto sufra una aceleración, debe existir una fuerza que le afecte, ya que de lo contrario permanecerá en reposo o en movimiento uniforme. Por ejemplo, si tenemos tres vagones de diferentes tamaños con ruedas, uno sobre el otro, andando a una velocidad constante y el más largo choca contra una pared, se detendrá, y los demás, debido a que no han sufrido ninguna fuerza, continuarán moviéndose a la misma velocidad hasta que choquen con la pared, tal y como veis a continuación.

 

Esta ley es también la que explica que si tiramos de un mantel con objetos encima dando un golpe seco de tal forma que la fuerza ejercida solo afecte al mantel como tal, los demás objetos permanezcan inmóviles en su posición original.

 

También cabe mencionar que para que un objeto se encuentre en equilibrio, las fuerzas ejercidas hacia ambos lados del mismo deben ser las mismas, de tal forma que se anulen, de esta forma, para que un avión permanezca equilibrando y a velocidad constante cuando vuela, el empuje del avión y la resistencia del viento deben ejercer la misma fuerza.

 

La 2ª ley de Newton hace referencia a la aceleración, definiendo esta como el cambio de velocidades en un tiempo concreto, definición que se plasma en la siguiente fórmula:

 

Aceleración = Cambio de velocidad

                        Porción de tiempo

 

De esta forma, para que un objeto sufra una aceleración debe darse un cambio de velocidad producido por una fuerza, de esta forma, por ejemplo, si tú quieres mover un objeto pesado, deberás superar la fuerza ejercida por la fricción del suelo, de manera que tu fuerza provoque la aceleración del objeto.

 

 

Cabe destacar que la fuerza es directamente proporcional a la aceleración (a mayor fuerza, mayor aceleración y viceversa) y la masa, a fuerza constante, inversamente proporcional a la aceleración (a mayor masa, menor aceleración).

 

Otro aspecto a recordar dentro de este apartado, es el hecho de que los conceptos de masa y peso no son lo mismo; la masa es la cantidad de materia de un objeto, es invariable y se mide en kilogramos. El peso, sin embargo, es la fuerza de la gravedad sobre un objeto, depende de la gravedad y su unidad de medida es el Newton.

 

Dos de los aspectos en los que nos hemos centrado dentro de esta segunda ley son los que corresponden a la caída libre y no libre.

 

Cuando un objeto cae en caída libre, la única fuerza que influye es la de la gravedad, que tira en la misma dirección que el peso, por lo tanto, ambas fuerzas se suman en la misma dirección, de manera que la aceleración en la caída será mayor cuanto mayor sea el peso.

 

En la caída no libre, hay una fuerza que contrarresta a la de la gravedad y a la del propio peso del objeto, de manera que a la suma de fuerzas del peso y la gravedad, se le debe restar la tira en sentido contrario a la caída, de manera que si esta es mayor a la suma de las dos anteriores, se evita la caída.

 

 

La 3ª Ley de Newton, afirma que "cada fuerza que actúa sobre un cuerpo se enfrenta a una fuerza de igual entidad producida en sentido contrario".

 

Esta ley da explicación a que en el momento en el que un cuerpo sufre una fuerza, se está ejerciendo una fuerza igual en sentido contrario.

 

Esta ley da explicación a hechos tales como que la fuerza de impacto en un choque entre un camión de 5 toneladas que viaja a 20 km/h y un coche de 2 toneladas que viaja a 60 km/h sea mayor en este segundo caso, debido a su mayor velocidad y a su menor masa, pues la fuerza ejercida en ambas direcciones es mayor en este caso que en el camión.

 

En relación a estas leyes, hemos realizado un experimento consistente en que, en caso de que dos personas vayan montados en un patín unidos por una cuerda, y una de las dos tira de ella, la fuerza irá en ambas direcciones; por una parte, tirará de la persona que está en el patín de enfrente, pero también ejercerá fuerza sobre la persona que haya tirado, haciendo que ambas se desplacen hacia el centro.

 

En otro de los experimentos, hemos movido un coche de juguete con un peso determinado añadiendo sobre una cuerda que se encontraba tirando del mismo diferentes contrapesos (fuerzas) y cambiando también la masa del coche, con lo que se comprobaba el hecho de que la fuerza es directamente proporcional a la aceleración, a la que la masa lo es inversamente, como ya he explicado anteriormente.





Algunas cuestiones sobre el movimiento

En la clase de hoy hemos continuado con los ejercicios que finalmente ayer no llegamos a terminar, además, hemos aprovechado para corregir algunos errores que había, pues no habíamos tenido en cuenta que debíamos omitir el viento y el rozamiento, lo que hace que cambien los resultados.

En primer lugar, se nos plantean situaciones como si caería antes un objeto desde un punto estático, por ejemplo, desde un globo, o desde un avión en movimiento, y aunque nosotros ayer pensamos que caería primero desde el globo por tener menor recorrido, la realidad es que si prescindiésemos del rozamiento del aire y del viento, ambos caerían al mismo tiempo, pues en ese caso, únicamente caerían atraídos por la fuerza de la gravedad, que es la misma en ambos casos (9,8m/s^2), lo que hace que, aunque resulte increíble, caigan al mismo tiempo.

Otra de las cuestiones que nos llevó a dudar respecto a estos ejercicios es qué caería primero en el caso de que tirásemos dos objetos de distinta masa al mismo tiempo. La realidad, es que ambos caerían a la vez siempre que prescindiésemos del rozamiento del aire y el viento, razón por lo que en muchas ocasiones esto no sucede así, debido a que es muy difícil omitir estos factores. A continuación os explicaré la razón de que esto suceda así:

Siempre se nos ha dicho que todos los cuerpos caen con la misma aceleración independientemente del peso que tengan. Esto se debe a que la fuerza de la gravedad es directamente proporcional a la masa de un objeto, de forma que aunque un cuerpo tenga el doble de masa que otro, será atraído con el doble de fuerza, por lo que al ser la aceleración el cociente entre la fuerza y la masa, la aceleración es la misma para todos los objetos. Esta aceleración, conocida como gravedad, es de 9,8 m/s^2.

A pesar de que lo anteriormente dicho es físicamente cierto, esto en realidad no sucede así, pues la gravedad no es la única fuerza que actúa sobre un cuerpo en caída libre, sino que también existe otra fuerza muy importante que se opone a la caída de los objetos, que es el rozamiento del aire. Esta fuerza depende de la geometría del objeto, de la densidad del aire y de la velocidad, en absoluto de la masa del objeto, de forma que si tenemos dos objetos de igual forma y tamaño pero de distinta masa, la fuerza debida al rozamiento del aire depende exclusivamente de la velocidad de caída.

Si tenemos dos bolas del mismo tamaño, una de plomo y otra de corcho, y las dejamos caer desde cierta altura, en el instante en que las soltamos, la única fuerza que actúa sobre ellas es la gravedad, por lo que tendrán la misma aceleración ( 9.8 m/s²), y caerán a la vez. Esto es lo que sucedería en el caso de que no tuviésemos en cuenta el rozamiento del aire, sin embargo, en una situación real desde el momento en el que empiezan a caer, aparece la fuerza de rozamiento del aire, que se opone al movimiento de caída. De este modo, al principio, como caen a la misma velocidad, la fuerza será igual para ambas, pero como la aceleración es igual a la fuerza dividida entre la masa, aceleración (deceleración, más bien) debida al rozamiento del aire será menor en la bola de plomo que en la de corcho, es decir, el efecto del rozamiento del aire frena más la bola de corcho que la de plomo, por lo que esta última llegará antes al suelo.

Es el rozamiento del aire el que hace que en un momento dado un cuerpo en caída libre deje de acelerar. La fuerza de rozamiento es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad, de forma que esta fuerza de rozamiento va aumentando a medida que el objeto acelera. Así, el objeto irá acelerando cada vez menos, pero aumentando su velocidad, hasta que llegue un momento en el que la fuerza de rozamiento sea igual a la fuerza de la gravedad y el cuerpo caiga a velocidad constante.

Resumiendo, la gravedad imprime la misma aceleración a todos los cuerpos, aunque también hay que tener en cuenta que el rozamiento del aire hace que  caigan con diferente aceleración. Si hiciésemos este experimento de caída libre entre dos objetos con distinta masa en una cámara de vacío, todos los cuerpos caerían igual. Incluso una hoja de papel o una pluma caerían como un ladrillo. Este fenómeno fue demostrado por Galileo, realizando un experimento que sustentó las bases de esta teoría y que podéis ver en el siguiente vídeo.

La importancia de los profesores y la riqueza idiomática

Todas las entradas que habéis ido leyendo hasta ahora en este blog han ido tratando sobre diferentes temas relacionados todos ellos con las ciencias, y la idea inicial para la de hoy era esa, pues la clase ha comenzado con la realización y puesta en común de algunos ejercicios sobre Física. Sin embargo, han ido surgiendo temas que han llevado a la clase a un debate sobre el que me parece importante hablar y exponer mi opinión, y es por esto por lo que la entrada de hoy va a ser algo diferente y especial, pero considero muy interesante tratar también sobre estos temas.

En primer lugar, creo que algo que toda persona, en especial, docente o alumno que esté estudiando para ello debe tener muy claro, es la importancia de nuestra profesión para la sociedad, así como el hecho de que una buena formación para poder ejercerla resulta fundamental; son muchas las ocasiones en las que nos encontramos con personas que menosprecian esta profesión, y lo cierto es que difícilmente vamos a acabar con esta realidad si no somos nosotros quienes valoramos nuestra profesión y somos conscientes de la importancia de la formación y del desarrollo de las cualidades de un buen profesor para poder desempeñarla lo mejor posible, siendo conscientes de la responsabilidad que tenemos.

En mi opinión, un maestro es igual de importante que un médico, un policía o cualquier otra profesión con este grado de valoración; todos ellos cumplen funciones imprescindibles para la sociedad, y por ello, creo que deberían ser valoradas como se merecen, es decir, por supuesto que un médico merece un gran reconocimiento pues desempeña una labor fundamental, pero considero que un maestro también, ya que está formando a las futuras generaciones de nuestro mundo, lo que, a la vez que me parece una oportunidad preciosa, también creo que es una gran responsabilidad.

Finlandia es un país en el que todo lo mencionado está muy presente, por ello, me parece muy interesante el vídeo que os voy a dejar a continuación y que os recomiendo ver:

 

 

Por otra parte, otra de las cuestiones que hemos tratado y que me parece importante compartir con vosotros es la importancia de los idiomas. En nuestro caso, vivimos en una comunidad con dos lenguas oficiales (castellano y euskera) y aunque la mayoría de nosotros tenemos como lengua materna el castellano, tenemos que ser conscientes de la importancia del euskera como idioma propio de nuestra comunidad.

 

Todos conocemos la importancia de saber euskera para trabajar como docente en nuestra comunidad, aunque el hecho de necesitar un determinado título en este idioma en nuestra carrera, si bien es cierto que supone un esfuerzo extra, garantiza la correcta transmisión de esta como parte de nuestra cultura, al fin y al cabo, cada carrera tiene sus exigencias, y esta no es sino una de las que tiene la nuestra, por tanto, creo que el euskera, en vez de verse como una obligación, debería verse como una oportunidad de aprender algo nuevo que forma parte de nuestra historia y nuestra cultura.

 

No obstante, comprendo la dificultad que esto supone para muchos compañeros que, por razones distintas no han tenido acceso previo a este idioma, por lo que, siendo consciente de la dificultad de aprender este idioma en dos años, (en el casual de comenzar a aprenderlo junto con la carrera, puesto que en 3º comienzas a tener que cursar créditos en Euskera) creo que hay casos en los que se debería tener en cuenta la posibilidad de hacer una excepción, sin embargo, al ser algo que la universidad anuncia de antemano, creo también que es nuestra responsabilidad poner los medios para lograr cumplir este requisito.

 

Por último, una vez más, resaltar la importancia de esta bonita profesión con la esperanza de que algún día sea valorada socialmente como se merece.

 

Modelo de partículas y teoría cinético - molecular

Hoy en clase hemos trabajado entorno a la teoría cinético molecular y el modelo de partícula, dos conceptos que van relacionados entre sí y que resultan fundamentales para comprender las propiedades de la materia, tema que ya he tratado en varias entradas anteriores.

En primer lugar, resulta fundamental diferenciar entre teoría y modelo; una teoría es un conjunto de enunciados y leyes que se comprueban a través de la experimentación, mientras que un modelo es una representación que se utiliza para explicar la realidad; es decir, una teoría no deja de ser un enunciado mientras que el modelo va más allá al ser una representación visual a través de la cual explicar una realidad.

En este caso, hemos trabajado sobre el modelo de partículas, que se basa precisamente en la teoría cinético - molecular, de forma que el modelo de partículas trata de representar lo que enuncia la teoría cinético molecular, y ambas tienen como finalidad explicar la estructura interna de la materia.

Según el modelo de partículas, la materia está compuesta de pequeñas partículas separadas por huecos que se están moviendo constantemente y que son tan pequeñas que requieren de instrumentos muy especializados para poder observarlas. Algunos de los principios de la teoría cinético molecular en los que se basa este modelo son los siguientes:

- La materia está compuesta por partículas indivisibles, indeformables y con masa invariable (átomos y moléculas), por lo que esta no es continua.

- En función del estado de agregación estas partículas se encuentran más o menos alejadas y el espacio que se encuentra entre ellas es el vacío.

- El estado de agregación determina la organización del espacio y si este es ordenado o desordenado.

- Las partículas tienen un movimiento constante y se desplazan con mayor o menor libertad en función del estado.

- La velocidad de las partículas depende de su temperatura; al subir esta aumenta su velocidad y viceversa (Sólido < Líquido < Gas).

- El nivel de unión de las partículas es mayor o menor en función del estado de agregación en el que se encuentre la materia (Sólido > Líquido > Gas - sin unión).

No obstante, en el siguiente vídeo se explica de forma más clara esta teoría:

 

 

Además, la realidad muestra que esta teoría resulta muy difícil de comprender por los estudiantes, especialmente en los primeros cursos, ya que cambia algunas de las perspectivas que se tienen y que resultan muy complicadas de entender, por ejemplo, el hecho de que las partículas de los sólidos se encuentran en constante movimiento a pesar de que nosotros tendamos a pensar que están estáticas o que el vacío entre las partículas existe.

 

 Por último, debido a lo explicado anteriormente, resulta muy útil realizar distintos experimentos que traten de hacernos ver lo que esta teoría afirma; a continuación os muestro un vídeo en el que se explican dos experimentos que se pueden realizar con alumnos de primaria o de los primeros cursos de secundaria y espero que os resulten de utilidad para comprender mejor esta teoría.

Mapa conceptual

Siguiendo con el tema de la entrada anterior, hemos aprovechado los estados de agregación de la materia para construir un mapa conceptual (una variación del póster presentado anteriormente), y de esta forma, hemos aprovechado para conocer esta herramienta que también puede resultarnos de utilidad a la hora de trabajar con nuestros futuros alumnos.

El mapa conceptual es una técnica que se utiliza para la representación gráfica del conocimiento sobre un tema determinado, creando así una red de conceptos interrelacionados. En la red, los nodos representan los diferentes conceptos, y los enlaces relacionan estos conceptos de forma que ayuden a comprender la sucesión de los mismos.

Este recurso resulta muy práctico ya que ayuda a esquematizar los contenidos, de forma que, a golpe de vista, se ofrecen estos contenidos de forma clara e interrelacionada, y se diferencia del poster presentado en la entrada anterior precisamente por ser una herramienta más esquemática que incluye nexos para interrelacionar las ideas así como una jerarquía entre las mismas omitiendo elementos innecesarios como imágenes o materiales complementarios.

Como os he indicado al principio, he experimentado esta técnica con el tema de la materia empleando para ello la herramienta de uso gratuito Popplet, y el resultado ha sido el que podéis ver a continuación, y de paso, comparar con el poster anterior.

Estados de agregación de la materia y póster

Hoy en clase hemos seguido con el tema de la materia, centrándonos en este caso en sus estados de agregación, es decir, sólido, líquido y gas.

Normalmente, cada sustancia se encuentra en un determinado estado de la materia, no obstante, hay unas pocas sustancias que puedan encontrarse en los tres estados de agregación, como es, por ejemplo, el caso del agua. A continuación os muestro algunas de las características y propiedades de cada uno de los estados mencionados.

1.- Los sólidos: En los sólidos, las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras.

      Propiedades:

          - Tienen forma y volumen constantes.
          - Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
          - No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos.
          - Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían.

2.- Los líquidos: las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras.

 

      Propiedades:

 

          - No tienen forma fija pero sí volumen.

          - La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

          - Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.

          - Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos.
          - Se dilatan y contraen como los sólidos.

 

3.- Los gases: En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias.

      Propiedades:

          - No tienen forma ni volumen fijos.
          - En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
          - El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa.
          - Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene.
          - Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen.
          - Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas.
          - Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.

Asimismo, la materia puede pasar de uno a otro estado a través de distintos procesos cuyo nombre podéis ver en el siguiente esquema:

Otro de los temas que hemos tratado relacionado con este primero, es la clasificación entre mezclas y sustancias puras, entendiendo las sustancias puras como sistemas materiales de los que no se pueden separar sustancias mediante procedimientos físicos y las mezclas como sistemas materiales de los que se pueden separar distintas sustancias mediante algún procedimiento físico; estas pueden ser homogéneas si el hecho de que están compuestas por sustancias diferentes se aprecia a simple vista o heterogéneas si esta mezcla de sustancias no se puede apreciar a simple vista.

A continuación, tratando de recoger lo dicho y aprovechando para presentar una nueva técnica para emplear en una clase, os enseño un póster que puede actuar de esquema visual de lo explicado: