Inertia
25 Apr, 2012
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PDFIn a ball
PRESENTATION: A heavy ball is suspended from two identical strings. If the lower string is pulled slowly the upper string eventually breaks, but if it is pulled suddenly it is the lower string that is broken.
- 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)
INTRODUCTION: Inertia is defined in Physics as the opposition of any body to the variation of its state of movement. It is the case in particular of the resistance of a standing body to move, or the resistance of any moving body to change the speed or direction of its movement.
Inertia is common to all matter. The first observations were done by Descartes and Galileo, and Newton denoted it within its book “Philosophiae Naturalist Principia Matematica” as the First law of Movement, the Inertia law.
OBJECTIVE: To demonstrate the first Newton Law, or Inertia law.
MATERIALS: a wooden sphere with hooks fixed on two diametrically opposed points, string, a stand, a bar to pull the string (optional), soft tissue (towels).
SETUP: Suspend the mass from the stand using a string tied to one of the hooks, and tie two other strings to the lower hook. If we pull with a fast movement, one of them this lower string will break due to the inertia of the ball. If we pull slowly the second string tied to the lower hook the upper string will break now, due to the effect of the ball weight.
EXPLANATION: The constant of proportionality between mass and force is denoted as mass, which corresponds to the numerical value of inertia. The higher the inertia of a body the lower will be the acceleration it acquires under the effect of a certain force. As the mass of the ball is much larger than those of the strings, and as for the upper string to be broken the mass has to move, if we pull suddenly the lower string the inertia of the ball will cause it not to move and the lower string will be broken. If we apply the same force but now gradually the ball will move, now transmitting the lower string tension to the upper one, which added to the ball weight will produce the upper string to break first.
Newton’s second law can be used to formalize the phenomenon. If the upper and lower string tensions are denoted as Tupper and Tlower respectively, and as Tlower has the same direction that the weight:
-Tupper+Tlower+m.g=m.a; -Tupper+Tlower=m.a- m.g
If the force is applied slowly, the acceleration ‘a‘ is lower than ‘g’, so Tupper>Tlower and the upper string is broken first. If the force is applied very fast ‘a‘ is bigger than ‘g‘ so Tlower>Tupper and the lower string is broken.
CONCEPTS: Newton’s first law, mass, weight, inertia.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- 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.
STUDENTS 2012-2013: Daniel Díaz, Agustín Moreira
LINK pdf STUDENTS (in Galician):
STUDENTS 2011-2012: Raquel Pérez, Marco Antonio Pérez, Araceli Mercedes Pérez
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
STUDENTS 2010-2011: Oliver Freire, Francisco Fonseca, Adrián Fernández, Adrián Fernández
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
8 responses to "Inertia"
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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.