El tema de la energía nos lleva a un mundo donde todo fluía de un estado a otro, desde un estado de energía baja hasta un alto. Nos muestra cómo la energía puede variar de forma natural o por medio de procesos humanos.
La energía puede existir en varias formas, como la electricidad, calor, luz, etc. Las formas de energía cambian constantemente, pero su total energía permanece inalterada. Las formas de energía se pueden transformar entre sí.
¿Qué tipo de energía tiene un objeto que se está moviendo?
¿En qué se transforma la energía eléctrica cuando encendemos una bombilla?
Una fuerza es cualquier acción capaz de producir un cambio en un cuerpo: puede ponerlo en movimiento, pararlo, cambiar su dirección, deformarlo o cambiar su velocidad. Las fuerzas no se ven, pero sí vemos sus efectos. Cuando empujas un columpio, lanzas una pelota o estiras una goma, estás ejerciendo una fuerza.
Las fuerzas se miden con un instrumento llamado dinamómetro y su unidad de medida es el newton (N), en honor al científico Isaac Newton. Para que te hagas una idea, levantar una manzana del suelo requiere una fuerza de aproximadamente 1 newton.
Las fuerzas se clasifican según cómo actúan:
Fuerzas de contacto: actúan cuando un cuerpo toca a otro. Ejemplos: empujar una puerta, golpear un balón, estirar una cuerda.
Fuerzas a distancia: actúan sin necesidad de que los cuerpos se toquen. Las más importantes son:
- La gravedad: es la fuerza de atracción que ejerce la Tierra sobre todos los objetos. Es la responsable de que todo caiga al suelo, de que los ríos fluyan montaña abajo y de que la Luna gire alrededor de la Tierra. La gravedad actúa sobre todos los objetos que tienen masa.
- El magnetismo: es la fuerza de atracción o repulsión que ejercen los imanes. Un imán tiene dos polos: norte y sur. Los polos iguales se repelen (se empujan) y los polos diferentes se atraen (se juntan). Los imanes atraen objetos de hierro, cobalto y níquel.
La fuerza de rozamiento (o fricción) es una fuerza de contacto que se opone al movimiento cuando dos superficies se frotan entre sí. Por ejemplo, cuando deslizas un libro sobre la mesa, sientes que "frena": eso es el rozamiento.
El rozamiento depende de dos factores: la naturaleza de las superficies (las superficies rugosas producen más rozamiento que las lisas) y la fuerza que empuja las superficies una contra otra (cuanto más peso, más rozamiento).
El rozamiento no siempre es negativo. Sin rozamiento, no podríamos caminar (los pies resbalarían), los coches no podrían frenar, y no podríamos sujetar un vaso. Pero a veces queremos reducir el rozamiento (por ejemplo, con aceite en las bisagras o con ruedas en lugar de arrastrar).
Las máquinas simples son dispositivos que nos ayudan a hacer trabajos con menos esfuerzo. No tienen motor ni electricidad; funcionan gracias a la fuerza que aplicamos sobre ellas. Las principales máquinas simples son:
La palanca es una barra rígida que gira alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro. En una palanca actúan dos fuerzas: la potencia (la fuerza que nosotros aplicamos) y la resistencia (la fuerza que queremos vencer, por ejemplo, el peso de un objeto).
El principio de la palanca es que cuanto más lejos del punto de apoyo apliquemos la fuerza, menos esfuerzo necesitamos. Por eso es más fácil abrir una puerta empujando cerca del pomo que cerca de las bisagras.
Hay tres tipos de palancas según dónde esté el punto de apoyo:
El plano inclinado es una superficie inclinada (una rampa) que permite subir objetos pesados a una determinada altura con menos esfuerzo que levantándolos directamente. Cuanto más larga y menos empinada es la rampa, menos fuerza hay que hacer. Las rampas para sillas de ruedas, las escaleras y los tornillos son ejemplos de plano inclinado.
La polea es una rueda con un canal por el que pasa una cuerda. La polea fija no reduce el esfuerzo, pero permite cambiar la dirección de la fuerza: tiramos de la cuerda hacia abajo para subir un objeto. La polea móvil sí reduce el esfuerzo a la mitad, pero hay que tirar el doble de cuerda. En muchas obras de construcción se usan poleas para subir materiales pesados.
Aunque algunas de las fuerzas se pueden ver, otras son más sutiles y se miden con instrumentos como el dinamómetro. Por ejemplo, las fuerzas de rozamiento son difíciles de ver pero están presentes en nuestro día a día. Cuando caminamos, por ejemplo, la fuerza de rozamiento del suelo nos impide movernos sin esfuerzo. Al reducir este efecto, podemos hacer más trabajo con menos esfuerzo. Por ejemplo, cuando usamos aceite para reducir la fricción en la bisagra de las ruedas de un coche, conseguimos una mayor capacidad para subir montañas. También, en las máquinas simples, las fuerzas se aplican sobre las partes del cuerpo de la máquina para que se pueda realizar el trabajo más fácilmente. Por ejemplo, en una escalera, la fuerza aplicada sobre la escalera se multiplica por la altura de la escalera para subir con menos esfuerzo.
La fuerza de rozamiento tiene un efecto inverso en la movilidad de los objetos. Por ejemplo, cuando pones un pie en la superficie, pierdes la movilidad porque la fuerza de rozamiento te impide moverte. Sin embargo, al aplicar una fuerza suficiente, puedes reducir este efecto y moverte con más facilidad. Por ejemplo, si quieres poner una caja en un ángulo, puedes aplicar una fuerza suficiente para que la caja se mueva hacia la parte del ángulo más plano.
Una persona quiere llevar una caja de 10 kg a una altura de 3 metros sin levantar la caja. Si la caja está en una plataforma que se mueve hacia abajo con una aceleración de 2 m/s², ¿cuánto trabajo debe hacer para llevar la caja a esa altura?
¿Cuál de las siguientes máquinas simples es más eficiente en la transmisión de trabajo?
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