Inercia
25 Apr, 2012
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PDFNunha bola
PRESENTACIÓN: Unha bóla pesada suspéndese de dous fíos idénticos. Cando se tira lenta e uniformemente do fío inferior o fío superior rómpese. Se se tira cun impulso rápido rómpese o fío 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)
INTRODUCIÓN: A inercia, en Física, é a resistencia dun corpo a calquera alteración no seu estado de movemento. En particular, la resistencia dun corpo en repouso a moverse, así como a resistencia de calquera corpo en movemento a cambiar a súa velocidade ou dirección e/ou sentido de movemento.
A inercia é unha propiedade común a toda a materia. Observada por primeira vez por Descartes e Galileo e renomeada por Newton no seu libro “Philosohiae Naturalist Principia Matematica ” como a Primeira Lei do Movemento, a lei de inercia.
OBXETIVO: Demostración da primeira lei de Newton ou lei de inercia.
MATERIAIS: masa (esfera de madeira) con ganchos opostos, fío, soporte (cabalete metálico), barra para tirar do fío (opcional), material brando (tela, toallas, …).
MONTAXE: Co cabalete metálico creamos un soporte no que irá colocado unha masa en suspensión (esfera de madeira) mediante un fío de coser, e outros dous fíos iguais colocaranse sobre o mesmo eixo nun gancho inferior. Cando tiremos dun dos fíos inferiores rapidamente romperase dito fío debido á inercia da bola. Cando apliquemos gradualmente unha forza no outro fío inferior romperase o fío superior manifestándose o peso da bola.
EXPLICACIÓN: A constante de proporcionalidade entre forza e aceleración é coñecida como masa, a cal é o valor numérico da inercia. Canto maior é a inercia dun corpo, menor é a súa aceleración para unha determinada forza aplicada. Tendo en conta que a bola posúe moitas veces a masa dos fíos e que para romper o fío superior a bola tense que mover, se aplicamos una forza repentina no fío inferior a inercia da bola fará que esta non se mova de forma que se rompe o inferior. Por outra banda, cando se aplica gradualmente unha forza, a bola moverase, transmitindo a tensión xerada pola forza aplicada que (engadida á tensión do fío superior xerada polo peso da bola) provoca que o fío superior exceda antes o seu límite e rompa primeiro.
Podemos utilizar a segunda lei de Newton para formalizar o proceso. Se tomamos TSuperior como a tensión do fío que se atopa por encima da bóla e TInferior como a tensión do fío de debaixo da bóla, observamos que TInferior e o peso van na mesma dirección, logo:
-TSuperior+TInferior+m.g=m.a; -TSuperior+TInferior=m.a- m.g
Se aplicamos unha forza lentamente a aceleración ‘a‘ é menor que ‘g’, así que TSuperior>TInferior e rompe antes o fío superior. Se aplicamos unha forza rapidamente ‘a’ es maior que ‘g’, así que TInferior>TSuperior e rompe antes o fío inferior.
CONCEPTOS: primeira lei de Newton, masa, peso, inercia.
MÁIS 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:
ALUMNADO 2011-2012: Raquel Pérez, Marco Antonio Pérez, Araceli Mercedes Pérez
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
ALUMNADO 2010-2011: Oliver Freire, Francisco Fonseca, Adrián Fernández, Adrián Fernández
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
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.