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La difícil misión de enseñar el principio de inercia. Parte 2


No es fácil superar las ideas previas que muchos estudiantes poseen y que contradicen el principio de inercia. En este artículo proponemos algunas actividades que puede ayudar a una mejor comprensión de este punto básico de la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y su movimiento.

En un artículo anterior, “La difícil misión de enseñar el principio de inercia. Parte I”, presentamos el principio de inercia y comentamos algunas de las dificultades que surgen debido a la existencia de ideas previas que entran en conflicto con la concepción de la Física respecto a este principio. A continuación proponemos algunas actividades que implican aplicaciones del principio de inercia. Estas actividades han sido diseñadas para que ayuden al proceso de enseñanza y pueden contribuir a una mejor comprensión del principio.

Al llevar a la práctica estas actividades conviene considerar no solo las respuestas correctas que pudieran dar algunos estudiantes. También hay que prestar atención a las respuestas erradas que surgen en las discusiones, pues ellas pueden dar luces sobre la persistencia de ideas erróneas acerca del movimiento. Asimismo, suele suceder que un estudiante responda según lo que considera que es lo que se debe responder más que de acuerdo a lo que realmente piensa. Pedir la justificación de la respuesta dada es aquí especialmente conveniente.


Aquí se pide una aplicación directa del principio de inercia. Si no hay ninguna fuerza actuando sobre el meteorito, deberá seguir moviéndose en la misma dirección y con la misma velocidad.

Es probable que algunos estudiantes sostengan que el meteorito irá disminuyendo su velocidad hasta detenerse completamente porque esa es la tendencia natural de todo cuerpo. Pero esta idea tropieza con lo que se sabe acerca del universo. Se estima que el universo existe desde hace más de 13 mil millones de años y todas las estrellas y galaxias conocidas se están moviendo a enormes velocidades. Si la tendencia natural de todo cuerpo en movimiento es a detenerse, ¿por qué estos cuerpos celestes siguen en movimiento después de tanto tiempo?

En nuestro entorno cotidiano efectivamente todo cuerpo en movimiento tiende a detenerse, pero ello no se debe a alguna “tendencia natural al reposo” sino a la existencia de fuerzas que actúan en dirección contraria al movimiento. La principal de ellas es el roce.

Además, la expresión “en reposo” solo tiene sentido cuando se especifica o se subentiende un sistema de referencia en particular. Pero si un cuerpo está en reposo con respecto a un sistema de referencia, estará necesariamente en movimiento con respecto a muchos otros sistemas de referencia. En el caso del meteorito, no podemos afirmar que se va a detener sin especificar con respecto a qué sistema de referencia se está considerado su movimiento.


En la historia de la Física durante mucho tiempo se pensó en la posibilidad de la existencia de un sistema de referencia absoluto con respecto al cual se podría referir cualquier movimiento. Sin embargo, a fines del siglo XIX y principios del siglo XX se desechó definitivamente esa hipótesis. Tal vez en un artículo próximo hablemos de este interesante periodo que marcó un vuelo fundamental en el conocimiento del mundo físico.



Analicemos la situación desde el punto de vista de Ernesto, que se mueve junto con el tren.


Inicialmente, la pelota está detenida en la mano de Ernesto. Sobre la pelota actúan dos fuerzas. Una de ellas es su peso, que actúa hacia abajo. En la figura 1 es la fuerza F1. La segunda fuerza es la que ejerce Ernesto hacia arriba. En la figura es la fuerza F2. Estas dos fuerzas se equilibran mutuamente y, por lo tanto, la pelota continúa en reposo.


Cuando Ernesto suelta la pelota, deja de actuar la fuerza que él estaba ejerciendo hacia arriba. La pelota acelera, entonces, hacia abajo por la acción de su peso. Como no hay fuerzas horizontales, la pelota cae verticalmente a los pies de Ernesto.


En el segundo experimento, no hay variación en el movimiento vertical, pero al sacar la mano por la ventana, una fuerte corriente de aire hacia atrás actúa sobre la pelota, de modo que, al soltarla, ella acelera hacia atrás.


¿Cómo se ve la situación desde tierra? Visto desde tierra, el movimiento vertical no se ve afectado. En relación con el movimiento horizontal, se observa que en el primer experimento la pelota se está moviendo con velocidad constante junto con el tren. Como no hay fuerzas que actúen horizontalmente sobre la pelota, ella sigue moviéndose horizontalmente junto con el tren y junto a Ernesto. Resultado: la pelota llega al suelo justo a los pies de Ernesto.

En el segundo experimento, cuando Ernesto saca la mano con la pelota por la ventana, empezará a actuar sobre la pelota una fuerza hacia atrás. Esta fuerza corresponde al hecho que la pelota se está desplazando con gran velocidad a través del aire. Cuando Ernesto suelta la pelota, esta fuerza frena el movimiento horizontal que tenía la pelota. La pelota sigue moviéndose hacia adelante, pero con una velocidad cada vez menor, de modo que el tren la deja atrás.


Al estar en el suelo, la fuerza que el suelo ejerce sobre la pelota hacia arriba es exactamente igual al peso de la pelota, de modo que ambas fuerzas verticales se contrarrestan.


Ahora bien, si cuando la pelota empieza a moverse no logramos identificar ninguna fuerza actuando sobre ella hacia adelante, solo queda una explicación posible: el tren está disminuyendo su velocidad. La pelota, como no hay fuerzas horizontales actuando sobre ella, continúa moviéndose hacia adelante con la misma velocidad que tenía inicialmente el tren.


En este caso, no solo la pelota empezará a moverse hacia adelante. También Mónica sentirá que se va hacia adelante y deberá afirmarse para no caer. La causa es la misma. El tren está disminuyendo su velocidad y las personas que van en el tren, para no caerse, tendrán que afirmarse de algo. Es decir, necesitarán que algún cuerpo ejerza una fuerza sobre ellos hacia atrás para que su velocidad con respecto a tierra también disminuya.



Por supuesto que Jorge no tiene razón. Si suelta un objeto o lo lanza verticalmente hacia arriba, el objeto continuará moviéndose junto con la Tierra y, por lo tanto, caerá a los pies de Jorge. Para que se quedara atrás, como piensa Jorge, sería necesaria una fuerza dirigida hacia atrás. Como nada está ejerciendo esa fuerza hacia atrás, el objeto no puede modificar su velocidad horizontal.


En la actividad 2, cuando Ernesto sacó la mano por la ventana y soltó allí la pelota, sobre la pelota había una fuerza actuando hacia atrás: la fuerza del aire que empuja la pelota hacia atrás. Al interior del tren, sin embargo, el aire se mueve con el tren y no hay fuerzas hacia atrás. Por eso, la pelota que suelta Ernesto cae justo a sus pies.


La situación que propone ahora Jorge es similar al primer experimento de Ernesto pues el aire que nos rodea se está moviendo junto con nosotros y junto con la Tierra.


Es interesante hacer notar que el argumento propuesto por Jorge fue utilizado con frecuencia por quienes sostenían que la Tierra era el centro del Universo y estaba inmóvil.


De acuerdo con el principio de inercia, si el ascensor se mueve con velocidad constante, entonces las fuerzas que actúan sobre él deben contrarrestarse, independientemente de la dirección en que se mueva el ascensor. Es decir, la fuerza que ejerza el cable hacia arriba debe ser exactamente igual al peso del ascensor tanto cuando el ascensor está subiendo como cuando el ascensor está bajando, siempre que lo haga con velocidad constante.


La figura muestra las fuerzas que actúan sobre el ascensor cuando está detenido, cuando se mueve hacia arriba con velocidad constante y cuando se mueve hacia abajo con velocidad constate.


Como se puede ver, los diagramas son idénticos en los tres casos.

Conviene detenerse en esta actividad porque para algunos estudiantes esto es contrario al “sentido común”. Existe la tendencia a pensar que cuando se está moviendo hacia arriba la fuerza que ejerce el cable debe ser mayor que el peso, y cuando se está moviendo hacia abajo el peso debe ser mayor que la fuerza que ejerce el cable.


En favor de esta posición, se suele argumentar que si ambas fuerzas fueran iguales cuando el ascensor está detenido, cuando se mueve hacia arriba y cuando se mueve hacia abajo, entonces ¿por qué en el primer caso no se mueve, en el segundo caso sube y en el segundo caso baja?

Para responder esta inquietud, debemos fijar la atención no en el lapso de tiempo durante el cual el ascensor está detenido o se mueve con velocidad constante, sino en aquellos lapsos de tiempo durante los cuales la velocidad del ascensor está variando.


Veamos un caso concreto. Supongamos que inicialmente el ascensor está detenido en el primer piso. En esta situación, la fuerza que ejerce el cable es exactamente igual al peso del ascensor. (Cuando hablamos del peso del ascensor, estamos incluyendo al peso de los pasajeros y de cualquier bulto que haya en su interior).


Si los pasajeros quieren subir hasta el sexto piso, aprietan el botón respectivo. Entonces actúan los motores que regulan el movimiento del ascensor y la fuerza que ejerce el cable aumenta, de modo que ahora esta fuerza es mayor que el peso. Resultado: el ascensor se pone en movimiento hacia arriba con una velocidad creciente.


Luego, la fuerza que ejerce el cable disminuye hasta igualarse nuevamente con el peso. Como el ascensor ya se está moviendo hacia arriba, continuará haciéndolo, pero ahora con velocidad constante. Al acercarse al sexto piso, el ascensor empieza a detenerse. Eso quiere decir que la fuerza del cable es menor que el peso. Esta diferencia hace que la velocidad disminuya. Cuando el ascensor finalmente se detiene en el sexto piso, la fuerza del cable volverá a ser exactamente igual al peso.


En el descenso sucede algo parecido. Durante un lapso de tiempo, la fuerza del cable es menor que el peso, por lo tanto, el ascensor empieza a moverse hacia abajo con velocidad creciente. Luego, la fuerza del cable aumenta hasta hacerse igual al peso. Ahora el ascensor continuará moviéndose hacia abajo con velocidad constante. Finalmente, la fuerza del cable se hace mayor que el peso, lo que produce una disminución de la velocidad hasta la detención. Y, una vez más, la fuerza del cable será igual al peso mientras se mantenga detenido.


Es importante analizar este ejemplo en detalle, pues los errores que suelen tener algunos estudiantes se deben a que aún piensan que para mantener un cuerpo en movimiento se necesita una fuerza en la dirección del movimiento. Es necesario asegurarse de que todos los estudiantes comprenden que solo se necesitan fuerzas para modificar la velocidad de un cuerpo. En ausencia de fuerzas, todo cuerpo mantiene constante su velocidad. Esto es válido también para el reposo. En efecto, desde el punto de vista del principio de inercia, el reposo no es sino un caso de velocidad constante: cuando la velocidad es igual a cero.

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