Conceptos Clave de Física: Impulso, Energía y Leyes de Newton Explicados

Impacto de un Vidrio: Rigidez y Absorción de Energía

Si un vidrio cae al piso, ¿por qué es más probable que se rompa si el piso es de concreto que si es de madera?

Respuesta:

En los golpes como el descrito, se debe disipar la energía cinética de los cuerpos que chocan. El hormigón es muy rígido y absorbe poca energía. El resto de la energía la absorbe el vaso, que probablemente se rompa. La madera es menos rígida que el hormigón; parte de la energía del vaso la absorbe el piso y parte el vaso, disminuyendo las probabilidades de que se rompa.

Impacto de Balas: Rebote vs. Adhesión

Se dispara una ametralladora hacia una placa de acero. ¿La fuerza media que actúa sobre la placa por los impactos es mayor si las balas rebotan o si se aplastan y pegan a la placa? Explique su respuesta completa.

Respuesta:

Cuando la bala rebota, el cambio en el momento lineal (impulso) es mayor que si queda aplastada (ya que la velocidad cambia de dirección, no solo se reduce a cero). Dado que la fuerza media es el cambio en el momento lineal dividido por el tiempo del impacto (F = Δp / Δt), y asumiendo tiempos de impacto similares, una mayor variación del momento implica una mayor fuerza. Por lo tanto, la fuerza es mayor cuando la bala rebota.

Aplicación de Fuerzas y Movimiento

Una fuerza neta de 4 N actúa durante 0.25 s sobre un objeto en reposo y le imprime una rapidez final de 5 m/s. ¿Cómo podría una fuerza de 2 N producir esa misma rapidez final?

Respuesta:

Primero, calculamos la aceleración inicial: a = v / t = 5 m/s / 0.25 s = 20 m/s².

Luego, usamos la segunda ley de Newton (F = m * a) para encontrar la masa del objeto: m = F / a = 4 N / 20 m/s² = 0.2 kg.

Con una fuerza de 2 N, la nueva aceleración sería: a' = F' / m = 2 N / 0.2 kg = 10 m/s².

Para alcanzar la misma velocidad final de 5 m/s con esta nueva aceleración, el tiempo necesario sería: t' = v / a' = 5 m/s / 10 m/s² = 0.5 s.

Por lo tanto, la fuerza de 2 N debe actuar durante 0.5 segundos.

Caída Libre y Conservación de Energía

Se deja caer un huevo desde el reposo desde una azotea hasta el suelo. Describa los cambios en su energía potencial y cinética durante la caída (ignorando la resistencia del aire).

Respuesta:

Tomando el suelo como nivel de referencia (energía potencial cero), la energía potencial gravitatoria inicial del huevo en la azotea es máxima. A medida que cae, su energía potencial disminuye, llegando a cero justo antes de tocar el suelo. La energía cinética inicial es cero (parte del reposo). A medida que cae, su velocidad aumenta, y por lo tanto, su energía cinética aumenta desde cero hasta un valor máximo justo antes de tocar el suelo. La energía potencial se convierte en energía cinética; la energía mecánica total se conserva.

Movimiento sin Fricción: Leyes de Newton

Una mujer está parada en el centro de un lago congelado perfectamente liso (sin fricción). ¿Cómo puede llegar a la orilla?

Respuesta:

Si se queda quieta, no se moverá debido a la inercia (Primera Ley de Newton). Para moverse en ausencia de fricción externa, debe aplicar la Tercera Ley de Newton (acción-reacción). Puede hacerlo lanzando algún objeto que lleve consigo (por ejemplo, un zapato, una bolsa) en la dirección opuesta a la que desea moverse. Al ejercer una fuerza sobre el objeto para lanzarlo, el objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre ella, impulsándola hacia la orilla.

Explosiones: Momento Lineal y Energía Cinética

Cuando un objeto en reposo se rompe en dos fragmentos (por explosión, desintegración, etc.), el fragmento más ligero adquiere más energía cinética que el más pesado. Explique por qué esto es una consecuencia de la conservación del momento lineal y las leyes de Newton.

Respuesta:

Por la conservación del momento lineal, si el objeto estaba inicialmente en reposo (momento total cero), los momentos de los dos fragmentos después de la explosión deben ser iguales en magnitud y opuestos en dirección: p₁ = -p₂, o m₁v₁ = -m₂v₂. Esto implica que |m₁v₁| = |m₂v₂|.

La energía cinética es KE = ½mv². Podemos reescribirla usando el momento (p = mv) como KE = p² / (2m).

Dado que las magnitudes de los momentos (p) son iguales para ambos fragmentos (|p₁| = |p₂| = p), la energía cinética de cada uno es KE₁ = p² / (2m₁) y KE₂ = p² / (2m₂).

Si m₁ < m₂ (fragmento 1 es más ligero), entonces KE₁ > KE₂. El fragmento más ligero adquiere más energía cinética.

Esto se relaciona con las leyes de Newton porque durante la explosión, por la Tercera Ley, las fuerzas internas entre los fragmentos son iguales y opuestas (F₁ = -F₂). Como F = ma (Segunda Ley), el fragmento más ligero (menor m) experimentará una mayor aceleración (a = F/m) durante el corto tiempo de la explosión, alcanzando una mayor velocidad final y, por tanto, mayor energía cinética.

Caída de Manzana: Energía en Caída Libre

Una manzana cae de un árbol sin experimentar resistencia del aire. Conforme cae, ¿qué enunciado sobre sus energías es verdadero? (Nota: Opciones no proporcionadas en el original).

Respuesta:

(Opción C no proporcionada). Sin embargo, durante la caída libre sin resistencia del aire, la energía potencial gravitatoria disminuye mientras que la energía cinética aumenta. La energía mecánica total (suma de cinética y potencial) se conserva.

Colisión Inelástica: Conservación de Momento

Dos trozos de arcilla chocan y quedan pegados (colisión perfectamente inelástica). Durante el choque, ¿cuál de los siguientes enunciados es verdadero? (Nota: Opciones no proporcionadas en el original).

Respuesta:

(Opciones C y D no proporcionadas). En una colisión perfectamente inelástica como esta, donde los objetos quedan pegados, el momento lineal total del sistema se conserva. Sin embargo, la energía cinética *no* se conserva; parte de ella se transforma en otras formas de energía (calor, sonido, deformación). Por lo tanto, un enunciado verdadero sería que el momento lineal se conserva, mientras que la energía cinética disminuye.