Inercia
25 abr, 2012
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PDFEn una bola
PRESENTACIÓN: Una bola pesada se suspende de dos hilos idénticos. Cuando se tira lenta y uniformemente del hilo inferior el hilo superior se rompe. Si se tira con un impulso rápido se rompe el hilo inferior.
- Moment of Inertia of a Ping-Pong Ball, Xian-Sheng CaoPhys. Teach. 50, 292 (2012)
- Inertia in Action, Diane Riendeau, Phys. Teach. 49, 186 (2011)
- The inertia ball, Karen Bouffard, Phys. Teach. 39, 46 (2001)
INTRODUCCIÓN: La inercia, en Física, es la resistencia de un cuerpo a cualquier alteración en su estado de movimiento. En particular la resistencia de un cuerpo en reposo a moverse, así como la resistencia de cualquier cuerpo en movimiento a cambiar su velocidad o dirección y/o sentido de movimiento.
La inercia es una propiedad común a toda la materia. Observada por primera vez por Descartes y Galileo y renombrada por Newton en su libro “Philosohiae Naturalist Principia Matematica” como la Primera Ley del Movimiento, la ley de inercia.
OBJETIVO: Demostración de la primera ley de Newton o ley de inercia.
MATERIALES: masa (esfera de madera) con ganchos contrarios, hilo, soporte (caballete metálico), barra para tirar del hilo (opcional), material blando (tela, toallas, …).
MONTAJE: Con el caballete metálico creamos un soporte en el que irá colocado una masa en suspensión (esfera de madera) mediante un hilo de coser, y otros dos hilos iguales se colocarán sobre lo mismo eje en un gancho inferior. Cuando tiremos de uno de los hilos inferiores rápidamente se romperá dicho hilo debido a la inercia de la bola. Cuando apliquemos gradualmente una fuerza en el otro hilo inferior se romperá el hilo superior manifestándose el peso de la bola.
EXPLICACIÓN: La constante de proporcionalidad entre fuerza y aceleración es conocida como masa, la cual es el valor numérico de la inercia. Cuanto mayor es la inercia de un cuerpo, menor es su aceleración para una determinada fuerza aplicada. Toda vez que la bola posee muchas veces la masa de los hilos y que para romper el hilo superior la bola tiene que moverse, si aplicamos una fuerza repentina en el hilo inferior, la inercia de la bola hará que ésta no se mueva, de forma que se rompe el inferior. Por otra parte, cuando se aplica gradualmente una fuerza, la bola se moverá, transmitiendo la tensión generada por la fuerza aplicada que (añadida a la tensión del hilo superior generada por el peso de la bola) provoca que el hilo superior exceda antes su límite y rompa primero.
Podemos utilizar la segunda ley de Newton para formalizar el proceso. Si tomamos TSuperior como la tensión del hilo que se encuentra por encima de la bola y TInferior como la tensión del hilo de debajo de la bola, observamos que TInferior y el peso van en la misma dirección, luego:
-TSuperior+TInferior+m.g=m.a; -TSuperior+TInferior=m.a- m.g
Si aplicamos una fuerza lentamente la aceleración ‘a‘ es menor que ‘g’, así que TSuperior>TInferior y rompe antes el hilo superior. Si aplicamos una fuerza rápidamente ‘a’ es mayor que ‘g’, así que TInferior>TSuperior y rompe antes el hilo inferior.
CONCEPTOS: primera ley de Newton, masa, peso, inercia.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
ALUMNADO 2012-2013: Daniel Díaz, Agustín Moreira
ENLACE pdf ALUMNADO (en gallego):
ALUMNADO 2011-2012: Raquel Pérez, Marco Antonio Pérez, Araceli Mercedes Pérez
ENLACE pdf ALUMNADO:
ALUMNADO 2010-2011: Oliver Freire, Francisco Fonseca, Adrián Fernández, Adrián Fernández
ENLACE pdf ALUMNADO:
8 responses to "Inercia"
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Los conceptos de inercia e inercialidad son, en mi opinión, de comprensión compleja y requieren de una demostración práctica en el aula; algo que en muchos casos es inexistente. El experimento relatado en este post me resulta algo complicado de entender, probablemente por no haberlo realizado en persona, y por ello dejo aquí la referencia de un artículo en el que aparecen este y algunos experimentos más que demuestran la primera ley de Newton: Vila, J., Sierra, C.J., 2008. Explicación con experimentos sencillos y al alcance de todos de la primera ley de Newton (la ley de la inercia), así como la diferencia entre inercia e inercialidad. Lat. Am. J. Phys. Educ. 2: 241-245.
En moitas ocasións o cine, sexa de ciencia-ficción ou non, ignora case completamente moitas das leis da física na narración de ditas películas. É o acaso da primeira lei de Newton. Segundo este famoso principio da dinámica, un obxecto que non estea sometido á acción dunha forza resultante non nula permanecerá en repouso ou se moverá en liña recta con velocidade constante. Dito doutro xeito, unha nave espacial poderá desprazarse sen necesidade de manter acesos os seus motores todo o intre. Que llo digan ás naves Voyager ou Pioneer, que se afastan do Sol a unha velocidade duns 17 km/s desde fai anos, e iso que non contan con ningunha propulsión. Isto tamén é válido para satélites que se atopen ao redor de corpos planetarios: un obxecto en órbita non ten por que manter o seu sistema de propulsión activo constantemente. Pero héte aquí que este detalle fundamental adóitaselles pasar por alto aos guionistas e afixémonos a ver flotas de naves cos seus motores continuamente acesos, ata cando están en órbita. Obviamente, haberá que activar os motores si queremos acelerar ou cambiar de traxectoria.
Todos hemos notado alguna vez en el autobús que si frena de golpe, nuestro cuerpo tiende “a seguir el viaje”, lo que nos obliga a agarrarnos rápidamente para no caernos. Esto sucede porque los cuerpos tienden a mantener su estado de reposo o de movimiento, si no es por la acción de una fuerza. A este fenómeno se le conoce como inercia. Por lo tanto, la inercia es la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o movimiento, y se dice que un cuerpo tiene mayor inercia cuanta mayor resistencia opone a modificar su estado. En el siguiente enlace se explica de una forma breve y clara la primera ley de Newton o ley de inercia.
En este enlace podemos hacer tres simulaciones para entender mejor la primera ley de Newton.
En este vídeo se visualiza claramente como se cumple la ley de inercia. Ejemplos de situaciones cotidianas en las que se dan este fenómeno pueden ser:
– Los cinturones de seguridad: solamente se traban en caso de que el cuerpo siga en movimiento cuando hay una detención brusca.
– La lavadora: al girar rápidamente, el tambor hace fuerza sobre la ropa que está en su interior y la inercia de las gotas de agua que atraviesan los agujeritos siguen de largo, de modo que la inercia de las gotas ayuda a quitar el agua de la ropa.
– Viajar en avión o tren: aunque vaya a gran velocidad, la bebida permanece en la mesita adosada al asiento de delante, como todo lo demás que está dentro del avión.
– Pedalear en bicicleta: podemos avanzar con la bicicleta unos cuantos metros tras haber pedaleado y dejar de hacerlo, la inercia nos hace avanzar hasta que la fricción o el rozamiento la supera, entonces la bicicleta se detiene.
– Prueba del huevo duro: si tenemos un huevo en la nevera y no sabemos si está crudo o cocido, lo apoyamos en la mesada, lo hacemos girar con cuidado y con un dedo intentamos detenerlo. El huevo duro se frenará inmediatamente porque su contenido ya está coagulado, el crudo se moverá todavía un poquito más, porque en su interior hay un fluido.
– Quitar un mantel y que quede lo que está encima apoyado en la mesa, en el mismo lugar: un truco clásico de magia basado en la inercia; para que salga bien hay que tirar el mantel hacia abajo y el objeto debe ser más bien liviano.
– Los cabezales de los automóviles: frente a un choque de frente repentino, evitan que el pasajero se desnuque, que por la inercia, tenderá a irse hacia atrás.
– Los tiros con efecto en el billar: cuando se intenta lograr las carambolas aprovechando la inercia de las bolas.
Interesante experimento cunha interpretación que pode resultar complicada a primeira vista pero que en realidade se pode explicar de xeito moi sinxelo! Aínda que a dinámica completa do sistema máis alá de que corda racha é lixeiramente máis complicada, e podemos ver unha interpretación no seguinte artigo do arXiv.
Otro ejemplo de demostración de la ley de inercia es el que se muestra en los siguientes enlaces. Según la 1ª Ley de Newton “todo cuerpo que no esté sometido a fuerza neta mantendrá su estado de movimiento”. Los materiales necesarios para su realización los tenemos todos en casa: un huevo, un vaso con agua, una cartulina o bandeja y un canuto de cartón. Para su montaje se colocaría encima del vaso con agua la cartulina o una bandeja plana. Después situaríamos encima de la cartulina, alineado con el vaso el canuto de cartón y encima de este el huevo. A continuación, le daríamos un golpe seco horizontal a la cartulina. Seguramente antes de la realización del experimento los alumnos piensen que, al golpear la cartulina, tanto el canuto como el huevo serán desplazados en la misma dirección que la cartulina, sin embargo, esto no es así. Debido a la 1ª Ley de Newton el huevo, que no es sometido a la fuerza del golpe, permanecerá inmóvil y caerá en el vaso debido a la fuerza de la gravedad.
Experimento que ilustra a la perfección la primera ley de Newton. En mi opinión, una demostración como esta u otra similar no debiera pasarse por alto en la asignatura de Física y Química de 2º E. S. O., pues a pesar de su sencillez, puede dar lugar a confusión, tal y como les ocurre a los protagonistas del vídeo de youtube 1, cuando el profesor les pregunta si el carrito se va a mover o no y ellos contestan erróneamente. Además, la formulación que se hace al final de la explicación utilizando la segunda ley de Newton me parece ideal para que el alumno perciba como se modelizan los fenómenos físicos a través de las matemáticas.