2.1 Ens fem embolics per força!

Andreu: Sempre em passa el mateix. Vull pujar a les atraccions més fortes i m’entra la por quan veig que fa tanta força.
Alícia: Ha ha ha! Com a la pel·li: “Que la força t’acompanyi!”
Cristina: Sí esclar! Aquell senyor que porta el seu fill a coll l’acompanya la força perquè té força.

Alícia: Força de veritat és la que tenen els motors que fan pujar els vagons de la muntanya russa.
Cristina:
Què dius ara! Com han de tenir força els motors? El que tenen és benzina… o bé estan endollats al corrent elèctric.
Daniel: Tinc força? Faig força? M’acompanya la força? Tinc el dipòsit ple de benzina? Estic ben endollat? …quin embolic!

Com en aquest diàleg, de vegades ens fem embolics amb les forces.

Però el cas és que des de molt petits tots ens anem convertint en experts en aquest tema. Contínuament fem força per obtenir el resultat que busquem, sigui obrir una porta, empènyer una pilota, evitar que algú o alguna cosa caigui o bé agafar un revolt amb la bicicleta.

Basant-te en la teva expertesa, ara contestaràs aquest qüestionari. És important que les teves respostes reflecteixin les teves idees.

1. Per completar cadascuna de les frases següents tria l’opció que creguis més encertada fent un senyal en el requadre corresponent. Quan triïs que la resposta correcta no és entre les proposades, escriu a sota la teva versió.

a) Si no es fa absolutament cap força sobre un objecte en moviment…

• s’aturará de cop
• continuarà igual un tros i s’aturarà
• anirà perdent velocitat fins que s’aturi
• (cap de les anteriors)

b) Perquè un objecte mantingui el seu movi-ment rectilini i uniforme l’única força que ha de rebre ha de ser…

• nul•la
• constant
• creixent
• (cap de les anteriors)

c) Si a l’espai una nau en moviment no rep absolutament cap força…

• caurà
• s’aturarà
• s’anirà frenant fins a aturar-se
• (cap de les anteriors)

d) Després de llançar una pilota enlaire es va frenant perquè…

• se li acaba la força
• no li hem donat prou força
• sobretot l’aire la frena
• (cap de les anteriors)

e) En el moment que la pilota arriba al capda-munt i s’atura…

• no rep cap força
• gairebé no rep força
• rep la mateixa força que quan pujava
• (cap de les anteriors)

f) I quan la pilota està caient s’accelera perquè…

• ja no té força amunt i cau
• rep força constant cap avall
• rep força creixent cap avall
• (cap de les anteriors)

g) Si a una nau que va cap a la Lluna li fan força constant cap a la seva dreta…

• girarà immediatament a la dreta
• s’anirà desviant cap a la dreta
• augmentarà la velocitat
• (cap de les anteriors)

h) Una paret que es manté immòbil…

• pot fer força no sobtadament
• pot fer força però molt i molt petita
• pot fer força però de mica en mica
• (cap de les anteriors)

i) Si gira al voltant del Sol és perquè la Terra…

• rep una força cap endavant
• rep força endavant i de costat
• rep força cap enfora
• (cap de les anteriors)

j)  Si un imant està atraient un clau cap a ell, el clau…

• atreu l’imant però amb més força
• atreu l’imant amb menys força
• no pot atreure l’imant
• (cap de les anteriors)

k) Passa gaire que quan un objecte fa força con-tra un altre aquest segon faci força contra el primer?

• sempre
• força sovint
• només de vegades
• mai

l) Un imant potent fa una força de 10 N contra un de més feble. El petit fa una força contra el gran que podria ser de…

• 25 N
• 10 N
• 2 N
• 0 N

Els efectes d’una força

2. Ara pensarem sobre una sèrie de situacions conegudes. Ens fixarem en l’objecte que està rebent força, l’altre que li està fent i cap a on, i quin és el seu efecte en l’objecte que l’ha rebuda.

Recuperarem, pensant en forces, un important experiment que hem fet no fa gaire: el de bufar la pilota de ping-pong.

a) Quan bufàvem a favor del moviment.

b) Quan bufàvem en contra del moviment.

c) Quan bufàvem de costat respecte del moviment.

d) Què caldria canviar en aquests tres casos si en comptes d’una pilota de ping-pong haguéssim fet servir una bola de billar per aconseguir els mateixos resultats?

e) Amb les tisores estem prement lleugerament l’esponja.

f) Una tassa damunt la taula pesa però no cau. Canviaria alguna cosa si la tassa no rebés absolutament cap força?

3. Tots aquests comportaments són representatius de la relació entre les forces i els seus efectes, segons estableix la física. Ara els resumirem així:

a) Quan un objecte rep força, poden produir-se un o diversos d’aquests cinc efectes:

b) I centrant-nos en la relació entre força i moviment, podem establir els efectes per a cada cas:

Relacions entre força i moviment segons Newton

Com més gran és la massa de l’objecte que rep la força…

Els resultats anteriors són molt importants perquè s’apliquen a totes les relacions entre forces i moviments. Algunes consideracions a l’hora d’aplicar aquestes lleis:

• Quan un objecte rep diverses forces, la seva suma (o resultant) és l’única força que s’ha de considerar.

• Hi ha forces que no són evidents, però sí que ho són els seus efectes. Fixant-nos en ells podem deduir la força que actua.

• Alguns efectes no són evidents perquè la massa sobre la qual actuen és molt gran.

Ara ho aplicarem a algunes situacions.

4. Aquestes boles són damunt d’una taula plana i les mirem des del damunt. Dibuixa la força resultant ca-paç de produir l’efecte indicat en cada cas:

PER APROFUNDIR-HI

Isaac Newton

5. Aquests resultats són dels més importants que devem a Isaac Newton, un dels grans científics de tots els temps. Què et semblaria documentar-te per explicar als teus companys la seva vida i les seves contribucions a la ciència?

6. Ara es tractarà d’analitzar unes quantes situacions. En cadascuna has de fer un diagrama de les forces que intervenen sobre l’objecte (considerat un punt), indicant, si el té, el nom de la força i també, entre parèntesi, quin objecte l’està fent.

a) Un ciclista va per terreny pla amb velocitat constant.

b) Un coet s’enlaira accelerant.

(ESA)

c) Un avió enlairant-se acceleradament.

d) Una paracaigudista baixant amb velocitat constant.

Però els objectes no són un punt!

En aquests exercicis hem suposat que els objectes eren un punt. Per què ho fem això si realment no són pas un punt? De fet aquest punt és on es troben totes les forces que reben, entre altres el seu pes. I això ens permet sumar-les amb facilitat. Normalment hem agafat com a punt el centre d’un objecte simètric, per exemple una bola o un ortoedre. Però de quin punt es tracta si l’objecte és irregular? Serà aquell punt que sempre hi passi el pes, posem com posem l’objecte. Per aquest motiu en direm centre de gravetat (abreviadament cdg).

7. Provarem de trobar el centre de gravetat d’aquest objecte, un triangle de cartolina. Seria interessant que cada grup utilitzi un triangle ben diferent del dels altres grups.

a) Busqueu alguna línia vertical que us pugui servir de referència (una porta? una finestra?…)

b) Amb un objecte que punxi, per exemple un escuradents rodó, fer un forat petit a prop de cadascun dels vèrtexs i en alguns altres llocs dispersos.

c) Pengeu el triangle amb l’escuradents en un dels forats, assegurant que pot oscil·lar lliurement. Quan estigui quiet, dibuixeu sobre el triangle la vertical que passi pel forat utilitzat.

d) Què podeu dir, en aquest moment, sobre on és el cdg del vostre triangle?

e) Repetiu l’operació tants vegades com vulgueu amb els altres punts. Llavors ja podeu dir on és el cdg del triangle. Com sabeu el punt? Per què esteu segurs que és el centre de gravetat? Ets capaç de sostenir el triangle sobre la punta d’un dit?

f) Deveu tenir un costat del triangle ple de ratlles. Així que gireu-lo per dibuixar una de les mitjanes del triangle (una mitjana és la línia que uneix un vèrtex del triangle amb el punt central del costat oposat).

g) La mitjana divideix el triangle en dos triangles. Com que ens interessa saber quin dels dos pesarà més, sabries dir quin dels dos triangles petits té més superfície (si pot ser, sense calcular-la)? Com ho saps?

h) Si pengeu el triangle per un dels punts de la mitjana, aquesta línia queda en posició vertical? Per què?

i) Dibuixeu les altres mitjanes i comproveu el mateix. Què en pots dir del punt on es tallen les tres mitjanes? (Ho heu comprovat amb l’altre costat del triangle?)

j) Aquest punt en geometria s’anomena ‘baricentre’, que vol dir centre de gravetat. El baricentre divideix cada mitjana en dues parts. Quantes vegades és més gran cada tros gran respecte del corresponent tros petit?

k) Tot això que us ha sortit és aplicable només al vostre triangle o ho poden confirmar els grups amb triangles molt diferents?

Com guanyar una medalla d’or tenint en compte el centre de gravetat

El Dick no era un atleta gaire dotat. A l’institut tenia problemes de coordinació per fer el salt d’alçada. No va superar els 1,50 metres que li demanaven per poder participar als jocs escolars. Tot i això, no es desanimà. Va anar provant diverses tècniques i millorant resultats. En els seus intents va arribar a trencar-se unes vèrtebres per culpa del deficient sistema d’amortiment de la caiguda, que aviat es milloraria i es faria més segur.

Als jocs olímpics de 1968 Dick Fosbury va deixar el món bocabadat al fer un salt estrany de 2,24 metres, que li va proporcionar una imprevista medalla d’or olímpica. Amb el seu salt havia apujat de cop 6 cm el rècord olímpic amb una tècnica fins llavors desconeguda, que des de llavors s’anomena Fosbury. Una història realment sorprenent.

Però quin va ser el truc per millorar el rècord d’aquesta manera?

Les tècniques anteriors feien passar molt alt el centre de gravetat de l’atleta. Com es pot veure a les imatges, les successives tècniques aconseguien anar millorant les marques trobant la manera de superar el llistó abaixant el centre de gravetat a base de canviar la posició del cos, les cames i els braços al passar sobre el llistó. El salt Fosbury (a la dreta) era el que abaixava més la posició del cdg, fins i tot per sota del llistó, d’aquí que es convertís en l’estil més utilitzat.

1908
1950
1968

La estratègia d’abaixar el centre de gravetat també es fa servir en salt de perxa, com es pot veure en aquesta imatge del 2017, fent passar primer les cames i fent un arc el cos.

Com més amunt hagi d’arribar el cdg, més energia potencial gravitatòria caldrà proporcionar-li. Per això, abaixar el centre de gravetat permet aprofitar millor l’energia que l’atleta és capaç d’aportar per fer el salt.

(Wikimedia)

8. Estudiarem una mica més la caiguda a velocitat constant.

a) Sosteniu enlaire una safata de poliestirè, posada plana i mirant amunt. Deixeu-la anar i observeu la seva caiguda. Si pot ser, enregistreu-la en vídeo. Com descriuries les dues fases (la primera, molt breu, comença immòbil) de la caiguda?

b) Dibuixa el diagrama de forces sobre el cdg de la safata en cadascuna de les dues fases de la caiguda, indicant també el tipus de moviment.

L’evolució de la velocitat de caiguda està representada en aquesta gràfica.

c) Marca-hi amb una línia vertical el límit aproximat entre les dues fases.

d) Durant la primera fase ha estat constant la força de fricció? Per quin motiu?

e) I durant la segona fase?

9. En un tros de mànega circular posada plana sobre el terra hi introduïm (esquerra) una bola ràpida que va recorrent tota la mànega fins que en surt per l’altre extrem.

a)  Tenint en compte el moviment de la bola, dibuixa la força resultant que rep la bola els instants A, B i C.

b)  Quina serà la seva trajectòria quan surti de la mànega? Quina serà llavors la seva força resultant?

10. Un dels mòduls de l’Estació Espacial Internacional (ISS) és en òrbita terrestre. Un astronauta ha sortit de la nau a fer una reparació.

a) Dibuixa l’òrbita que segueix l’astronauta, com un satèl·lit artificial més.

b) Dibuixa la força que rep el mòdul i la que rep l’astronauta.

c) En el cas d’aquest astronauta, parlar d’ingravidesa és alhora
correcte i incorrecte, tant a dins com a fora de la nau. Ho pots aclarir?

d) Com pot ser que el mòdul i l’astronauta tinguin una òrbita semblant, si un pesa molt més que l’altre

11. La Lluna és en òrbita terrestre a una velocitat v. Si a partir d’aquest moment la seva velocitat augmentés (>v), dibuixa la nova òrbita. Igualment, si disminuís (<v) però continués en òrbita. (Les mides no són a escala).

◀︎ 2 Forces, moviments… i emocions!

2.2 Les forces van soles o acompanyades ►

Hits: 7