Descripción y explicación del movimiento
La física comienza con el movimiento. Esta primera sección construye el kit de herramientas: gráficas que describen el movimiento, las ecuaciones que vinculan velocidad, aceleración y distancia, las fuerzas que causan todo cambio, y (P) el momento lineal y los momentos que explican zonas de deformación y vigas equilibradas.
Física Edexcel International GCSE 4PH1, Sección 1 (enunciados 1.1–1.33P). Los enunciados con sufijo P son la extensión de ciencia separada, evaluada en el Papel 2P; las unidades a aprender incluyen el newton (N) y, (P), el newton metro y kg m/s.
Movimiento y posición
Velocidad media = distancia recorrida ÷ tiempo transcurrido. En un gráfico de distancia–tiempo, la pendiente es la velocidad: una línea recta inclinada indica velocidad constante, una curva indica aceleración, y una línea horizontal indica reposo. Aceleración es el cambio de velocidad por segundo:
En un gráfico de velocidad–tiempo, la pendiente es la aceleración y el área entre la línea y el eje del tiempo es la distancia recorrida.
Ejercicio resuelto. Un coche acelera de 4 m/s a 16 m/s en 6 s: $a = (16 - 4)/6 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Distancia recorrida $= \frac{1}{2}(4 + 16) \times 6 = 60$ m.
Fuerzas y movimiento
Las fuerzas cambian la velocidad, forma o dirección de un cuerpo. La fuerza es un vector (magnitud + dirección); los escalares como la velocidad tienen solo magnitud. A lo largo de una línea, las fuerzas se suman: dos tracciones de 5 N contra una tracción de 8 N dan una fuerza resultante de 2 N. La fricción se opone al movimiento. La fuerza neta causa aceleración:
Ejercicio resuelto. Un coche de 1200 kg con una fuerza motriz de 3600 N contra 1200 N de resistencia: $F = 2400$ N; $a = 2400/1200 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Peso a $g = 10$ N/kg: $W = 1200 \times 10 = 12\,000$ N.
Distancia de frenado = distancia de reacción + distancia de frenado. La distancia de reacción aumenta con la velocidad y el tiempo de reacción (cansancio, alcohol, teléfonos); la distancia de frenado aumenta con el cuadrado de la velocidad, la masa, frenos débiles y mala adherencia (carreteras mojadas o heladas, neumáticos desgastados).
Objetos en caída libre aceleran mientras el peso supera la resistencia aerodinámica; a medida que aumenta la velocidad, aumenta la resistencia, la fuerza resultante disminuye hasta que peso = resistencia — velocidad terminal.
Fuerzas y deformación
Un resorte se estira con carga. En la zona lineal inicial, la elongación es proporcional a la fuerza — Ley de Hooke; más allá del límite de proporcionalidad se curva. El comportamiento elástico recupera la forma original cuando se retira la fuerza. Práctica: colgar masas en un resorte (o goma elástica), graficar fuerza contra elongación.
Momento lineal y momentos (P)
El momento lineal (kg m/s) se conserva en las colisiones: total antes = total después. Las medidas de seguridad funcionan extendiendo el tiempo de una colisión, por lo que para el mismo cambio de momento lineal, la fuerza es menor — zonas de deformación, cinturones de seguridad, airbags. Tercera ley de Newton: a toda acción corresponde una reacción igual y opuesta.
Momento = fuerza × distancia perpendicular al punto de apoyo. Una viga se equilibra cuando momentos horarios = momentos antihorarios; el peso de un cuerpo actúa a través de su centro de gravedad.
Ejercicio resuelto. Dos niños (300 N a 0.4 m, 200 N a 0.6 m del pivote) en un sube y baja: momento horario $200 \times 0.6 = 120$ N m; antihorario $300 \times 0.4 = 120$ N m — equilibrado.
Compruébalo tú mismo
- ¿Qué proporciona la pendiente de una gráfica de distancia-tiempo y de una gráfica de velocidad-tiempo?
- Un ciclista recorre 900 m en 3 minutos. Calcula la velocidad media en m/s.
- Calcula la aceleración desde 30 m/s hasta detenerse en 5 s.
- Enuncia la ecuación que relaciona fuerza neta, masa y aceleración, e indica su unidad.
- Nombra dos factores que aumentan la distancia de frenado y dos que aumentan la distancia de reacción.
- Explica, en términos de fuerzas, por qué un paracaidista alcanza la velocidad terminal.
- Enuncia la ley de Hooke.
- (P) Un corredor de 60 kg a 8 m/s: calcula el momento lineal.
- (P) Explica cómo un área de deformación protege a los pasajeros.
- (P) ¿Cuál es el momento de una fuerza de 50 N a 0.3 m del pivote?
Respuestas: 1 velocidad; aceleración (y el área bajo la línea de velocidad-tiempo es distancia); 2 $900/180 = 5$ m/s; 3 $a = (0 - 30)/5 = -6\ \mathrm{m/s^2}$ (desaceleración de 6 m/s²); 4 F = ma, con F en newtons; 5 reacción — mayor velocidad, tiempo de reacción más largo; frenado — mayor velocidad (velocidad²), masa, frenos/neumáticos deficientes, carreteras mojadas o heladas; 6 la resistencia aumenta con la velocidad hasta igualar al peso — la resultante y la aceleración alcanzan cero, por lo tanto la velocidad es constante; 7 la extensión es proporcional a la fuerza, hasta el límite de proporcionalidad; 8 (P) $p = 60 \times 8 = 480\ \mathrm{kg\,m/s}$; 9 (P) se aplasta, aumentando el tiempo de colisión; fuerza = cambio de momento ÷ tiempo, por lo tanto un tiempo más largo significa una fuerza menor sobre los pasajeros; 10 (P) $50 \times 0.3 = 15$ N m.