Title: Teoria Tema 3
Course: Física i Química 4t ESO 1r T

La força, una interacció.

1.1 Les forces són vectors.

Què és una força?

Es defineix força com a acció capaç de produir canvis en el moviment o en l'estructura dels cossos.

La força és una magnitud?

Una força és una magnitud vectorial. La seva unitat en el sistema internacional (SI) és el Newton (N).

Figura: Representació d'un vector.

A la figura veiem:

- Mòdul o intensitat és la longitud del vector.
- Direcció és la recta que conté el vector. Indica la seva inclinació.
- Sentit, indicat per la fletxa.
- Punt d’aplicació, punt on comença el vector.

💡 Activitats.

Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- A3.2.  Introducció.

Les forces i les deformacions: efectes.

2.1 Tipus de cossos en funció de les forces.

Un cos pot ser rígid, elàstic o plàstic depenent de la matèria de que estigui fet i de la força que apliquem.

Rígids: No es deformen per l’acció d’una força. | Font: Pexels.com ( https://www.pexels.com/es-es/foto/acero-asa-brizna-durante-el-dia-1383766/
Elàstics: Es deformen per l’acció d’una força, però recuperen la seva forma original quan desapareix la força. | Font: piqsels.com
Plàstics: Es deformen per l’acció d’una força i no recuperen la seva forma original quan desapareix la força, sinó que queden deformats permanentment. | Font: Pexels.com

2.2 Llei de Hooke.

La llei de Hooke diu que quan s’aplica una força a una molla, li provoca una deformació directament proporcional al valor d’aquesta força.

F=k·Δl

F, força (N).

k, constant d'elasticitat (N/m).

\( \Delta \)l= allargament o estirament (m).

Font: Wikipedia ( https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Silom%C4%9Br_25.png)

L’allargament de les molles és proporcional al pes que hi pengem.

Gràfica exemple llei de Hooke. Font: elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

Exemple:

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

2.3 El dinamòmetre.

El dinamòmetre és un aparell per a mesurar les forces.

Font: Wikipedia ( https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Dinamometro.jpg )

Hi ha molts tipus de dinamòmetres diferents, tant mecànics com electrònics.

💡 Activitats.

 Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- A3.3. Simulador Llei de Hooke.

Forces resultants.

3.1 Suma de forces concurrents amb la mateixa direcció.

Què són les forces concurrents?

Forces concurrents són aquelles les direccions de les quals es tallen en algun punt.

Si les forces tenen la mateixa direcció i sentit, el mòdul de la força resultant és la suma dels mòduls.

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

Si les forces tenen la mateixa direcció i sentit oposats, el mòdul de la força resultant és la diferència dels mòduls.

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

3.2 Suma de forces concurrents amb diferent direcció.

Suma de 2 forces:

Utilitzarem la regla del paral·lelogram.

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

Si són perpendiculars podem utilitzar el Teorema de Pitàgores.

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

Teorema de Pitàgores:

Suma de més de 2 forces:

Regla del polígon:

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

2 forces: Sumem la força u + v que dona w:

--->

Font: Elaboració pròpia amb GeoGebra (Sergio Albert Torralba).

Més de 2 forces:

Tenim 3 forces: u, v, w.

Primer es suma la força u + w que dona el vector a:

Després sumem la força a + v que dona el vector b:

Font: Elaboració pròpia amb GeoGebra (Sergio Albert Torralba).

💡 Activitats.

 Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- Continueu al següent apartat.

Cossos en equilibri.

Un cos està en equilibri quan no actua cap força sobre ell, o bé quan actuen varies forces concurrents de forma que la resultant de totes elles és 0.

A la balança romana, la pesa es desplaça fins aconseguir l’ equilibri.

Font: Wikipedia ( https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Balance_romaineGP.jpg )

Força pes:

El pes (P) d’un cos és la força amb que la Terra l’atrau.

P = F = m·g = m·9,8

Font: pexels.com ( https://www.pexels.com/es-es/foto/esfera-espacio-globo-terraqueo-mundo-45208/)

Força gravitatòria i pes.

Dues masses puntuals m1, m2, separades una distància r s’atrauen amb una força gravitatòria directament proporcional a les masses i inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa.

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

\( F = G \cdot \frac{m1·m2}{r^2} \)

On:

G és la constant de gravitació universal, G = 6,67·10^-11 N·m^2·Kg^-2

m1: massa cos 1.

m2: massa cos 2.

r: distància de separació dels cossos.

💡 Activitats.

Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- A3.4.  Simulador força gravitatòria.
- A3.5. Qüestionari autoavaluació força gravitatòria (extern).

Les lleis de Newton.

5.1 Primera llei de Newton o principi d'inèrcia.

Un cos continua en repòs o en moviment (si ja estava movent-se) quan no hi actua cap força sobre ell.

O d'altra manera:

Quan la força resultant que actua sobre un cos és zero, la seva velocitat no varia: si estava en repòs, continua en repòs; i si estava en moviment, seguirà movent-se amb MRU.

Font: pixabay.com

Quan el cotxe arrenca, et quedes enganxat en el seient, ja que tendeixes a seguir en repòs.

Font: pixabay.com ( https://pixabay.com/es/illustrations/coche-dibujos-animados-de-coches-4065110/ )

Quan el cotxe frena, et desplaces cap a davant, ja que tendeixes a estar en moviment.

5.2 Segona llei de Newton o principi fonamental de la dinàmica.

Quan sobre un cos actua una força, li provoca una acceleració de la mateixa direcció i sentit que la força, de manera que:

        F = m ⋅ a

Si sobre el cos actua més d’una força, el principi s’expressa així:

∑ F = F_R = m ⋅ a

∑ F: sumatori de forces i FR: força resultant.

5.3 Tercera llei de Newton o Principi d'acció i reacció.

Quan un cos exerceix sobre un altre una força anomenada acció, el segon respon sobre el primer amb una força igual i de sentit contrari anomenada reacció. Les forces apareixen per parelles (interacció).

I per què, si tenim una acció i una reacció oposada, aquestes forces no s'anul·len?

No s'anul·len perquè actuen sobre cossos diferents.

El pes (P) d’un cos és la força amb que la Terra l’atrau. Quan un cos cau per acció del seu propi pes, es mou amb l’acceleració de la gravetat,

 a = g = 9,8 m/s^2. Tenint en compte el principi fonamental

de la dinàmica:

F = m ⋅ a  →  P = m ⋅ g

Font: elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

S’anomena força normal (N) a la força de reacció d’un pla sobre un cos que està sobre d’ell. És una força perpendicular al pla i de sentit oposat al de la superfície

Per què quan tirem una pilota contra una paret rebota?

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

Solució:

En picar la pilota contra la paret (acció) aquesta respon amb una força igual i de sentit contrari (reacció) que la fa rebotar.

Cap a on fa força la roda d’un cotxe: endavant o enrere? Per què?

Font: wikipèdia ( https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Neum%C3%A1tico_F1_Duro.png )

Solució: Fa força enrere (acció) i el terra respon amb una força cap endavant  (reacció) igual i de sentit contrari que fa avançar el cotxe.

Podries aplicar el principi d’acció i reacció a l’hèlix d’un vaixell?

Font: pixabay.com

Solució: L’hèlix d’un vaixell desplaça grans quantitats d’ aigua cap enrere (acció) i això genera una força igual i de sentit contrari que impulsa el vaixell cap endavant.

Per què quan disparem amb una escopeta es produeix un retrocés de l’arma?

Font: pxhere.com

Solució:  La bala, impulsada pels gasos cap endavant (acció) genera una força igual i de sentit contrari (reacció) que fa que l’arma faci una força cap enrere sobre l’espatlla del que dispara.

Què passarà si un astronauta llança amb força una clau anglesa cap endavant?

Font: Piqsels.com

Solució: El llançament de la clau endavant (acció) generarà una força igual i de sentit contrari (reacció) que llançarà a l’astronauta en sentit contrari al de la clau.

Per què quan piquem amb força una bola en el centre d’una altra la primera es para?

Font: pixabay.com

Solució: La primera bola pica a la segona amb una força (acció) de manera que la segona pica a la primera amb una altra força (reacció) que la deté.

💡 Activitats.

 Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- A3.6.  El camió.
- A3.7.  El cotxe.

Altres forces importants.

6.1 La força normal.

Quan un cos està damunt d’una superfície, fa una força sobre ella a conseqüència del pes. Per la 3ª llei de Newton, la superfície fa una força igual però de sentit contrari sobre el cos, que anomenem força normal

Font: Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

6.2 La tensió.

Força que experimenten les cordes quan s’estiren en aplicar una força, com per exemple un pes.

Font: Pexels.com (fotografia modificada)

6.3 Força de fregament.

El fregament és una força que sempre s’oposa al moviment

F_f=µ·N

Font: Public domain amb modificació de vectors. ( https://publicdomainvectors.org/es/vectoriales-gratuitas/Dibujo-de-coche/47503.html )

Força del motor - força de fregament = massa · acceleració

F_motor - F_f = m·a

Coeficients de fregament
Substància | μ
acer-gel | 0,03
acer-acer | 0,15
metal-fusta | 0,3
fusta-fusta | 0,5
pedra-fusta | 0,4
fusta-terra seca | 0,7
roda-asfalt sec | 0,7
roda-asfalt humit | 0,4

Taula amb alguns coeficients de fregament. Elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

💡 Activitats.

 Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- A3.10.  Simulador forces i moviment.

Les forces i el moviment.

7.1 Moviment rectilini.

Hi ha una relació directa entre l'aplicació de les forces i el moviment com veurem a continuació:

Moviment rectilini uniforme.

És el moviment que té un cos quan la resultant de les forces és 0:

  ∑F = m ⋅ a         Si ∑F = 0  → 0 = m ⋅ a

F=0, a=0, V=cte.

(si la força és zero, l'acceleració serà nul·la i la velocitat serà constant).

Moviment rectilini uniforme accelerat.

És el moviment que té un cos sobre el que actuen una o més forces, de manera que la seva resultant sigui constant i tingui la direcció del moviment.

Font: elaboració pròpia (Sergio Albert Torralba).

En la imatge de dalt el pes no influeix en el seu moviment.

Força F igual sentit que velocitat V:

L'acceleració serà positiva, per tant la velocitat augmenta.

a = F/m

Força F sentit contrari que velocitat V:

L'acceleració serà negativa, per tant la velocitat disminueix.

a=F/m

7.2 El pla inclinat.

A un pla inclinat es produeix un moviment rectilini uniforme accelerat.

Font: Pla inclinat. Wikipèdia ( https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Rownia.svg )

α: angle del pla inclinat amb l'horitzontal.

N: Força normal.

G: Força pes.

F1: component x del pes.

F2: component y del pes.

Per trigonometria es pot treure que:

senα= F1/G

cosα= F2/G

Per tant, si anomenem P a G, Px a F1 i Py a F2:

F_1=Px=G·senα= P·senα

F_2=Py=G·cosα= P·cosα

Si voleu avançar més ràpid consulteu l'enllaç: problema resolt.

Font: Unicoos (Youtube).

7.3 Caiguda lliure.

La caiguda lliure també és un moviment rectilini uniforme accelerat, on l'acceleració és la gravetat, g=9,8 m/s^2.

F = m·a (Força = massa·acceleració)

P = m·g (Força pes = massa·gravetat)

Font: wikipèdia ( https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Caida-libre.svg )

💡 Activitats.

 Activitats: Un cop torneu a la pàgina inicial del curs podreu realitzar l'activitat:

- A3.11. STEAM a classe (o a casa).
- A3.12. Qüestionari autoavaluació dinàmica (extern).
- A3.14. Laboratori a casa.
- A3.15. Qüestionari les forces i l'univers.
- A3.16. Diari d'aprenentatge Tema 3.
- A3.17. Prova de síntesi Tema 3.