Unidad: Primera Ley de Newton

¿Has observado que aunque intentes forzar el movimiento de un objeto, éste tiende a quedarse en reposo? ¿Has  pensado  alguna  vez  por  qué  es  necesario  el  cinturón  de seguridad  en  un  automóvil  para  salvarte  la  vida  en  un  accidente? En esta unidad intentaremos  comprender  uno  de  los  principios  físicos  que   permite   entender   de manera simple estas situaciones, principio conocido por los científicos como la Primera Ley de Newton.

Observa   el   video   que  muestra   un   globo   con   forma   de Mickey Mouse lleno de agua que se encuentra colgando de una barra y que se revienta.

Observa las fotos 02 y 03 utilizando la barrita de cuadros en la página web del video.

1. ¿Por qué crees tu que después de reventarse el globo, el agua queda en el aire manteniendo la forma original?

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Actividad:  La moneda y la tarjeta

En la siguiente imagen se muestra una tarjeta en reposo sobre el dedo de una mano y una moneda de cien pesos en equilibrio sobre la tarjeta. 

Junto   con   tu   compañero   o   compañera   reproduce   la situación mostrada  y sin tocar la moneda saca la tarjeta de forma tal que la moneda quede en reposo sobre el dedo.

Observa el video a continuación donde se muestra como mover la tarjeta para que la moneda quede en equilibrio sobre el dedo de la mano.

1.  Opcional: Redacta junto con tu compañero o compañera de mesa una explicación breve que describa como debe moverse la tarjeta para que la moneda pueda quedarse en reposo. Prepárate para compartir tus conclusiones con el resto del curso.

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Actividad:  El truco del mantel

¿Has visto alguna vez el truco de magia en que un mago saca el mantel de una mesa sin que los platos caigan al suelo? Si buscas en You Tube: table cloth stunt dish, encontrarás muchos videos de este truco.

A continuación podrás realizar una versión simple de este truco: Coloca una hoja de papel sobre una mesa con uno de sus bordes sobresaliendo, de forma que puedas tomarla con  facilidad.  Esta hoja  cumplirá   la   función de mantel, coloca un libro o cuaderno sobre la hoja. Sin tocar el libro intenta sacar la hoja y observa que ocurre con el libro.

Antes de ver este video, pueden realizar la competencia opcional que se detalla en la próxima actividad.

1) Explica cual es el truco para poder sacar el mantel sin mover los objetos sobre él.

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Actividad:  El truco del mantel, la competencia (opcional)

Después  de  practicar  por  un  par  de  minutos,   forma  un  grupo  de  4  personas   con   tus   compañeros  o compañeras. Haremos una Competencia para ver quién puede realizar el truco de magia lo mejor posible. Hagan un sorteo para elegir quién será  el Juez de la Competencia. Las otras tres personas serán los competidores.

Si tú eres uno de los competidores: describe brevemente cuál es la mejor forma de sacar la hoja para que el truco funcione lo mejor posible.

Si tú eres el Juez: deberás decidir cuál de los competidores realizó mejor el truco. Para ser justo debes ser capaz de justificar tu decisión en base a un criterio objetivo. Por ejemplo, es importante que todos los competidores usen el mismo libro o cuaderno y hojas idénticas al momento de realizar el truco. Explica a los competidores cual es el criterio objetivo a utilizar para decidir quién es el ganador, y lleguen a un consenso al respecto.

1.  Realicen   la   competencia   y   encuentren   a   un   ganador   o   ganadora.   Redacten   un   resumen   de   la competencia que explique brevemente al resto del curso quien fue el ganador, ¿qué habilidad le permitió ganar la competencia y cuál fue el criterio que se utilizó para decidir quién fue el ganador? 

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Actividad:  Reflexionando acerca de las actividades anteriores.

En las actividades La moneda y la Tarjeta y El truco del Mantel,  estudiamos el movimiento de objetos que están inicialmente en reposo (la moneda y el libro).

1. Describe brevemente el movimiento de estos objetos después de sacar la tarjeta o el papel. 

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Para lograr que el objeto inicialmente en reposo no se moviera fue necesario queel movimiento de la tarjeta o del papel fuera muy rápido, de esa forma 

la fuerza realizada interactúa poco tiempo y no logra sacar al objeto de su estado de reposo.

 Así, aunque la fuerza es distinta de cero, la situación es similar a la de un objetoinicialmente en reposo sobre el que no actúan fuerzas.

La Primera Ley de Newton describe la situación idealizada en que sobre un objeto en reposo no actúa ninguna fuerza.

2.  Escribe en tu cuaderno,  en tus propias palabras,  como enunciarías tú   la  Primera Ley de Newton aplicada a los experimentos que hemos analizado.

3. Normalmente se enuncia la Primera Ley de Newton en la siguiente forma: “Si sobre un objeto en reposo no actúa ninguna fuerza……” Esta forma de enunciar la Primera Ley de Newton establece en forma explícita a que cuerpos y bajo qué condiciones se aplica esta Ley. Completa en tu cuaderno esta forma de enunciar la Primera Ley de Newton. 

4. Tu profesor o profesora enunciará la Primera Ley de Newton para objetos en reposo. Compara este enunciado con el enunciado que escribiste en tu cuaderno.

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Aún cuando la Primera Ley de Newton se enuncia para objetos sobre los cuales no actúan fuerzas, es común que su aplicación se extienda a aquellos casos en que no hay fuerzas que actúen en una determinada dirección. Piensa por ejemplo en un libro   en   reposo   sobre   una  mesa.   Debido  a   que  no   hay   fuerzas   que  apunten   en dirección horizontal el libro se mantiene sin moverse en esta dirección.

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Primera Ley de Newton:Si sobre un cuerpo en reposo no actúan fuerzas, entonces el 

cuerpo se mantiene en reposo.

Actividad:  Primera Ley para cuerpos en movimiento.

Hasta ahora hemos estudiado solamente objetos que se encuentran inicialmente en reposo,  y   cabe  preguntarse  que   sucede   cuando   el   objeto   que  nos   interesa  venía moviéndose inicialmente.

Para responder esta pregunta estudiaremos el siguiente experimento: El automóvil de juguete está en reposo con respecto a una plataforma que se mueve. El automóvil es libre de moverse, es decir,  no se encuentra pegado a la plataforma de ninguna forma. Nos interesa estudiar que sucederá   con   el   movimiento   del   automóvil   cuando   la plataforma choque con el soporte en reposo hacia el cual se   dirige.   Este   soporte   tiene   la   misma   altura   que   la plataforma que se mueve con el auto.

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Parte    I:    El Movimiento antes del choque.   

1. Mientras el soporte viaja hacia le derecha, antes de chocar:

1.a) ¿Cómo se mueve el automóvil? ¿es un movimiento con rapidez constante?

1.b) ¿Qué puedes decir sobre las fuerzas que actúan sobre el automóvil (si es que las hay)?

1.c)  Dibuja un gráfico cualitativo que muestre la posición del automóvil en función del tiempo antes de chocar. 

2. Haz una predicción: ¿Cuál crees tú que será el movimiento del automóvil (si es que se mueve) después del choque?  

3.  Agrega a tu gráfico anterior una línea de otro color que represente tu predicción para el  movimiento del  automóvil después del choque.

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Observa a continuación el video del experimento:

4. ¿Qué diferencias y semejanzas hay entre el movimiento del automóvil antes del choque y después del choque? 

5.  ¿Era   correcta   tu   predicción   para   el   movimiento   del automóvil después del choque? Si es necesario, dibuja un nuevo gráfico para el movimiento completo del automóvil, indicando   que   diferencia   hay   con   el   gráfico   que  hiciste como predicción.

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A continuación te mostramos el gráfico de posición del automóvil versus tiempo, obtenido directamente del video de este experimento.

6. Solamente mirando el gráfico ¿es posible saber en que instante   del   tiempo   ocurrió   el   choque?   Si   es   posible, indica en que instante ocurrió el choque y como pudiste determinarlo.   Si   no   es   posible,   explica   por   qué   no   es posible.  

7.  ¿Puedes  explicar  por  qué  motivo  el  movimiento  del auto no se ve afectado por el choque? 

8. ¿Es razonable aplicar el Principio de Inercia para este automóvil que inicialmente estaba moviéndose? 

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9. De la misma forma que hiciste anteriormente en esta guía, enuncia la Primera Ley de Newton para cuerpos en movimiento. Recuerda mencionar en forma explícita a que cuerpos y bajo qué condiciones se aplica la Primera Ley de Newton. 

10. Tu profesor o profesora enunciará la Primera Ley de Newton para objetos en movimiento. Compara este enunciado con el enunciado que escribiste en tu cuaderno.

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Como has visto, la rapidez del automóvil no cambia debido al choque porque duranteel choque no actúa ninguna fuerza (horizontal) sobre el automóvil. Este es el significado de la Primera Ley de Newton aplicada a un objeto en movimiento.

Para   no   tener   que   enunciar   la   Ley   de   Inercia   en   dos   casos   por   separado,   los científicos suelen usar la expresión “estado de movimiento”, que incluye ambos casos particulares.  El   estado  de  movimiento  puede   ser   “en   reposo”   o   “moviéndose   con rapidez constante”. Por lo tanto, la Primera Ley de Newton o Principio de Inercia suele enunciarse de la siguiente forma:

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Primera Ley de Newton:Si sobre un cuerpo no actúan fuerzas, entonces el 

cuerpo mantiene su estado de movimiento.

Actividad:  Reflexionando sobre el Principio de Inercia

Como has visto, hemos ido refinando el significado de la Primera Ley de Newton o Principio   de   Inercia,   incluyendo   cada   vez   nuevos   efectos   y   redefiniendo   y generalizando el significado de los conceptos utilizados en ella. Este procedimiento es usual en el Método Científico, en que las teorías se van ampliando y generalizando a medida que nuevos fenómenos se observan.

La masa de los objetos tiene mucha importancia al aplicar el Principio de Inercia, porque   si   bien   los   objetos   tienden   a   mantener   su   estado   de   movimiento,   esta tendencia es mayor para un objeto de mayor masa.

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La Primera Ley de Newton también se conoce como Principio de Inercia, donde la palabra Inercia hace referencia a la tendencia de los cuerpos

a permanecer en reposo o en movimiento.

La masa de un objeto es una medida de la Inercia que éste tiene.

Actividad:  Huevo Feliz, Huevo Triste.

La imagen muestra dos huevos sobre los cuales se dejarán caer   simultáneamente   dos   bolas   de   pool   de   la   misma masa.   Se   dispone   también   de   dos   ladrillos   idénticos, estando el huevo triste encima de su   ladrillo y el huevo feliz debajo del suyo.

1. Antes de ver el video, haz una predicción: ¿Qué crees que sucederá cuando las bolas de pool caigan?

Observa ahora el video del experimento:

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Como puedes ver, el ladrillo que esta encima del huevo feliz lo protege de la caída de la bola, impidiendo que se quiebre.

2.  Si se hubiese colocado un ladrillo (del mismo material) bastante más delgado, ¿crees que tendría el mismo efecto protector?

3. Explica por qué colocar el ladrillo sobre el huevo lo protege de la caída de la bola. (Utiliza el Principio  de Inercia). 

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Actividad:   El Cinturón de Seguridad.

El cinturón de seguridad es una invención que puede salvarte la vida en caso de un accidente. Estudiaremos a continuación por qué.

Parte I.    Énfasis en el movimiento del auto:    Imagina que tú eres un pasajero que viaja al interior de un automóvil que se mueve con rapidez constante, similar al video del automóvil de juguete sobre una plataforma que estudiamos previamente.

1.  Si el automóvil en que viajas choca bruscamente con un muro (o con otro automóvil detenido en la carretera), ¿afecta este choque al movimiento del automóvil? Explica por qué.

2.  ¿Que diferencias existen entre el  choque del  automóvil  en  la pregunta anterior  con el   choque del automóvil sobre la plataforma de la actividad anterior?

3.  ¿Son consistentes tus dos respuestas anteriores? (Ayuda: ¿Qué fuerzas actúan sobre el automóvil en cada uno de los dos casos?) 

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Parte II.    Énfasis en el movimiento del pasajero:    Piensa ahora en tu movimiento antes y después del choque.

4.  En esta situación, a que objeto se parece más tu cuerpo, al automóvil que choca con otro automóvil o al automóvil sobre la plataforma de la actividad anterior?

5. Pensando ahora en el caso en que tú viajas en el asiento delantero del automóvil que choca contra un muro, compara tu movimiento después del choque con el movimiento del automóvil después del choque.

6. Para cada uno de los dos cuerpos (tú y el automóvil) determina:

6.a) Si actúan o no actúan fuerzas.

6.b) Si se aplica o no la Primera Ley de Newton.

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Mira a continuación un choque de un auto con un muro:(Tú eres la pelota que va sentada en el asiento delantero)

Choque frontal contra un muro.

   Una situación similar ocurre si el choque es de costado.

    Choque de costado contra un muro.

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En conclusión, tu cuerpo quiere mantener su estado de movimiento (con rapidez Constante)  debido a que sobre él no actúan fuerzas, mientras que el automóvil 

se detiene bruscamente debido a la fuerza que el muro ejerce sobre él. La función del cinturón de seguridad, entonces, es ejercer una fuerza sobre ti

 cuando sigues moviéndote y te separas del asiento, de forma de frenarte e impedir que choques contra  el parabrisas del automóvil que ya se encuentra detenido.

¡Nunca te olvides de usar el cinturón de seguridad, sobre todo en carreteras donde el automóvil se mueve a gran rapidez!

Actividad:  El apoya cabezas.

Considera ahora el caso en que tu estas en reposo al interior del automóvil cuando eres chocado por atrás por otro automóvil.

1. Esta situación, ¿se parece más al video de la tarjeta y la moneda o al video del auto sobre la plataforma de una de las actividades anteriores? 

2. Para cada uno de los cuerpos (tú y el automóvil) determina:

2.a) Si actúan o no actúan fuerzas durante el choque.

2.b) Si se puede aplicar o no el Principio de Inercia.

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Supón que tu automóvil es antiguo y no cuenta con apoya­cabezas, de forma que solo tu espalda está en contacto con el respaldo del asiento mientras que tu cabeza está “libre” en el aire. 

3.  Justo después del  choque,  ¿tienden tu cabeza y el  resto de tu cuerpo a tener el  mismo estado de  movimiento o distinto estado de movimiento? Explica por qué. Discute tu razonamiento con tu compañero o compañera de banco.

4.  Tomando en cuenta tus respuestas a las preguntas anteriores, explica en tu cuaderno que función cumple el apoya­cabezas para protegerte durante una colisión en la parte trasera del automóvil. Relaciona tu explicación con la aplicación de la Primera Ley de Newton.

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Redacta un breve resumen de la clase de hoy y que aprendiste en ella. Siel profesor te lo solicita comparte tu resumen con el resto de la clase.