Preguntas Conceptuales
6.1 Resolución de problemas con las leyes de Newton
Para simular la ingravidez aparente de la órbita espacial, los astronautas se entrenan en la bodega de un avión de carga que acelera hacia abajo a g. ¿Por qué parecen no tener peso, como se mide en una báscula de baño, en este marco de referencia acelerado? ¿Hay alguna diferencia entre su aparente ingravidez en órbita y en el avión?
6.2 Fricción
El pegamento de un trozo de cinta adhesiva puede ejercer fuerzas. ¿Pueden estas fuerzas ser un tipo de fricción simple? Explique, teniendo en cuenta especialmente que la cinta adhesiva puede pegarse a las paredes verticales e incluso al techo.
Cuando aprende a conducir, descubre que tiene que soltar ligeramente el pedal del freno al detenerse o el auto se parará con una sacudida. Explique esto en términos de la relación entre la fricción estática y la cinética.
Cuando empuja un trozo de tiza por una pizarra, a veces chirría porque alterna rápidamente entre el deslizamiento y la adhesión a la pizarra. Describa este proceso con más detalle, en particular, explique cómo se relaciona con el hecho de que la fricción cinética es menor que la estática. (El mismo proceso de deslizamiento y agarre ocurre cuando los neumáticos chirrían en el pavimento).
Una estudiante de física está cocinando el desayuno cuando se da cuenta de que la fuerza de fricción entre su espátula de acero y la sartén de teflón es de apenas 0,200 N. Conociendo el coeficiente de fricción cinética entre los dos materiales, calcule rápidamente la fuerza normal. ¿De cuánto es?
6.3 Fuerza centrípeta
Si desea reducir el estrés (que está relacionado con la fuerza centrípeta) en los neumáticos de alta velocidad, ¿utilizaría neumáticos de diámetro grande o pequeño? Explique.
Defina la fuerza centrípeta. ¿Puede cualquier tipo de fuerza (por ejemplo, la tensión, la fuerza gravitatoria, la fricción, etc.) ser una fuerza centrípeta? ¿Puede cualquier combinación de fuerzas ser una fuerza centrípeta?
Si la fuerza centrípeta se dirige hacia el centro, ¿por qué siente que es "lanzado" lejos del centro cuando un auto toma una curva? Explique.
Los conductores de autos de carreras suelen cortar las curvas, como se muestra a continuación (Trayectoria 2). Explique cómo esto permite tomar la curva a la mayor rapidez.
Muchos parques de atracciones tienen atracciones que hacen giros circulares verticales como el que se muestra a continuación. Por seguridad, los vagones se fijan a los rieles de forma que no puedan caerse. Si el vagón pasa por encima a la rapidez adecuada, solo la gravedad suministrará la fuerza centrípeta. Qué otra fuerza actúa y cuál es su dirección si:
(a) ¿El vagón pasa por encima a una rapidez mayor a la indicada?
(b) ¿El vagón pasa por encima a una rapidez inferior a la indicada?
Cuando un patinador forma un círculo, ¿qué fuerza es la responsable de realizar su giro? Utilice un diagrama de cuerpo libre en su respuesta.
Supongamos que una niña está montada en un carrusel a una distancia aproximada de la mitad de su centro y su borde. Tiene una fiambrera apoyada en papel encerado, de modo que hay muy poca fricción entre ella y el carrusel. ¿Qué trayectoria tomará la fiambrera cuando la suelte? La fiambrera deja un rastro de polvo sobre el carrusel. ¿Ese rastro es recto, curvado a la izquierda o curvado a la derecha? Razone su respuesta.
¿Siente que lo tiran hacia un lado u otro cuando toma una curva con peralte ideal para la rapidez de su auto? ¿Cuál es la dirección de la fuerza ejercida sobre usted por el asiento del auto?
Supongamos que una masa se mueve en una trayectoria circular sobre una mesa sin fricción como se muestra a continuación. En el marco de referencia de la Tierra, no hay ninguna fuerza centrífuga que hale a la masa del centro de rotación, pero sí hay una fuerza que estira la cuerda que une la masa al clavo. Utilizando conceptos relacionados con la fuerza centrípeta y la tercera ley de Newton, explique qué fuerza estira la cuerda, identificando su origen físico.
Cuando se tira de la cadena de un inodoro o se vacía un fregadero, el agua (y otros materiales) empieza a rotar alrededor del desagüe en su descenso. Suponiendo que no hay rotación inicial y que el flujo es inicialmente recto hacia el desagüe, explique qué causa la rotación y qué dirección tiene en el hemisferio norte. (Tenga en cuenta que se trata de un efecto pequeño y que en la mayoría de los inodoros la rotación se debe a los chorros de agua direccionales). ¿Se invertiría el sentido de la rotación si el agua fuera forzada a subir por el desagüe?
Un auto toma una curva y se encuentra con una placa de hielo con un coeficiente de fricción cinética muy bajo. El auto se sale de la carretera. Describa la trayectoria del auto al salir de la carretera.
En una atracción del parque de atracciones, los pasajeros entran en un gran barril vertical y se colocan contra la pared sobre su suelo horizontal. El barril gira hacia arriba y el suelo cae. Los pasajeros se sienten como si estuvieran clavados a la pared por una fuerza parecida a la gravitatoria. Se trata de una fuerza inercial percibida y utilizada por los pasajeros para explicar los acontecimientos en el marco de referencia rotativo del barril. Explique en un marco de referencia inercial (la Tierra es casi uno) qué es lo que sujeta a los pasajeros a la pared, e identifique todas las fuerzas que actúan sobre ellos.
Dos amigos mantienen una conversación. Anna dice que un satélite en órbita está en caída libre porque el satélite sigue cayendo hacia la Tierra. Tom afirma que un satélite en órbita no está en caída libre porque la aceleración debida a la gravedad no es . ¿Con quién está de acuerdo y por qué?
Un marco de referencia no rotativo situado en el centro del Sol es casi un marco inercial. ¿Por qué no es exactamente un marco inercial?
6.4 Fuerza de arrastre y velocidad límite
Los atletas, como los nadadores y los ciclistas, llevan trajes de cuerpo entero en competición. Formule una lista de los pros y los contras de estos trajes.
Se utilizaron dos expresiones para la fuerza de arrastre experimentada por un objeto en movimiento en un líquido. Uno dependía de la rapidez, mientras que el otro era proporcional al cuadrado de la rapidez. ¿En qué tipo de movimiento sería más aplicable cada una de estas expresiones que la otra?
Cuando los autos circulan, el aceite y la gasolina se filtran en la superficie de la carretera. Si cae una lluvia ligera, ¿qué le hace al control del auto? ¿La lluvia fuerte hace alguna diferencia?
¿Por qué una ardilla puede saltar desde la rama de un árbol hasta el suelo y salir corriendo sin sufrir daños, mientras que un humano podría fracturarse un hueso en una caída así?