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Fisica 1° · 2024
Libro de Física 1 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Tema 6: Fuerza elástica — ley de Hooke y su importancia

📄 introduccion fisica 🎓 bachillerato · 1° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

Ley de Hooke: F_e = kx (\vec{F}_e = -k\vec{x}), con k en N/m. Objetos tipo resorte: amortiguadores, colchones, muelles de puertas, balanzas y cuerdas elásticas. Un material más elástico (menor k) se deforma más y amortigua mejor los impactos.

fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 80

Fisica 1° · 2024

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Ejercicio 1

Criterio de evaluación del tema (CE.CN.F.5.7). Argumenta desde la experimentación y la observación de fenómenos la ley de Hooke (la fuerza que ejerce un resorte es proporcional a la deformación que experimenta), estableciendo su modelo matemático y su importancia para la vida cotidiana.

  1. Observación experimental: si se cuelga un peso de masa m de un resorte, este se deforma; al aumentar el peso, la deformación x aumenta en la misma proporción (ver gráfico experimental: la fuerza elástica crece linealmente con x).
  2. Modelo físico: al desplazar la masa un tramo \Delta x desde su posición de equilibrio, el resorte ejerce una fuerza de restauración F_e opuesta al desplazamiento (en la figura, F_e apunta hacia la posición de equilibrio cuando se comprime o se estira).
  3. Ley de Hooke: la magnitud de esa fuerza es directamente proporcional a la deformación: F_e = k\,x donde k es la constante de rigidez del resorte, en \text{N/m}, y x es el desplazamiento respecto de la longitud de equilibrio, en \text{m}.
  4. Fuerza de restauración: al ser un vector opuesto al desplazamiento, \vec{F}_e = -k\,\vec{x} El signo menos indica que la fuerza siempre tiende a devolver el cuerpo a su estado de reposo.
  5. Constante de rigidez: para un mismo x, un resorte más grueso (mayor k) produce una fuerza mayor; esto se mide en el laboratorio colgando masas conocidas y midiendo la elongación.
  6. Importancia cotidiana: resortes en amortiguadores de autos, colchones, muelles de puertas, balanzas de resorte (la masa se lee a partir de x), cuerdas elásticas, juguetes y dispositivos de medición de fuerzas.
Respuesta

El modelo matemático de la ley de Hooke es F_e = kx (o \vec{F}_e = -k\vec{x}): la fuerza elástica es proporcional a la deformación, con constante de rigidez k, y es fundamental para entender el equilibrio de cuerpos y numerosos dispositivos cotidianos.

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Ejercicio 2

Saberes previos — ¿Puedes mencionar algún objeto en tu entorno que pueda comportarse como un resorte?

Respuesta orientativa: Sí. Los resortes se encuentran en los amortiguadores y suspensión de automóviles y motocicletas, en los colchones y somieres (que soportan el peso del cuerpo), en las cierres de puertas con muelle, en las balanzas de uso doméstico y en las cuerdas elásticas para amarrar objetos. Todos ellos cambian de longitud al aplicarles una fuerza y recuperan su forma al retirarla.

Respuesta

Objetos tipo resorte: amortiguadores de vehículos, colchones, muelles de puertas, balanzas de resorte y cuerdas elásticas.

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Ejercicio 3

Saberes previos — ¿Cómo crees que la elasticidad de un objeto afecta su comportamiento?

  1. Un material elástico se deforma bajo una fuerza y recupera su forma original cuando dicha fuerza desaparece; en cambio, si la deformación supera el límite elástico, el cuerpo queda deformado permanentemente o se rompe.
  2. Cuanto mayor es la elasticidad, más facilidad tiene el objeto para deformarse y para volver a su estado de reposo; esto se expresa mediante una constante de rigidez menor (k baja ⇒ mayor deformación para la misma fuerza).
  3. La elasticidad define la fuerza de restauración F_e = kx: un objeto muy elástico aplica menos fuerza restauradora para un mismo desplazamiento, por eso absorbe mejor los impactos (como un amortiguador).

Respuesta global: El Tema 6 introduce la fuerza elástica como F_e = kx, proporcional a la deformación y de dirección opuesta al desplazamiento, aplicable a resortes, colchones, amortiguadores y balanzas.

Respuesta

La elasticidad determina que el objeto se deforme bajo la carga y recupere su forma al retirarla; un material más elástico (menor k) se deforma más para la misma fuerza y amortigua mejor los golpes.

Contenido de la página

TEMA 6: Fuerza elástica

Imágenes descriptivas del tema:

  • Esquema 1: un resorte unido a una pared, comprimido por una fuerza externa F_{ext} dirigida hacia la izquierda; el tramo comprimido es \Delta x, y el resorte ejerce una fuerza F_e hacia la derecha (fuerza de restauración).
  • Esquema 2: un resorte estirado por una fuerza externa F_{ext} dirigida hacia la derecha; el tramo estirado es \Delta x, y el resorte ejerce una fuerza F_e hacia la izquierda.

En ambos casos la fuerza elástica F_e es opuesta al desplazamiento: el resorte se resiste a la deformación y tiende a recuperar su longitud de equilibrio.

Fuente de la imagen: https://n9.cl/88c6io

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

CE.CN.F.5.7. Argumenta desde la experimentación y la observación de fenómenos la ley de Hooke (fuerza que ejerce un resorte es proporcional a la deformación que experimenta), estableciendo su modelo matemático y su importancia para la vida cotidiana.

OBJETIVOS

OG.CN.10. Apreciar la importancia de la formación científica, los valores y actitudes propios del pensamiento científico, y adoptar una actitud crítica y fundamentada ante los grandes problemas que hoy plantean las relaciones entre ciencia y sociedad.

Saberes previos

  • ¿Puedes mencionar algún objeto en tu entorno que pueda comportarse como un resorte?
  • ¿Cómo crees que la elasticidad de un objeto afecta su comportamiento?

Texto de Física, pág. 79 (Bachillerato General Unificado, Ecuador).

Ejemplos resueltos

Se estira un resorte de k = 200\,\text{N/m} hasta deformarlo 3\,\text{cm}. ¿Qué fuerza elástica ejerce?

  1. Convertir la deformación a metros: x = 3\,\text{cm} = 0{,}03\,\text{m}.
  2. Aplicar la ley de Hooke: F_e = kx.
  3. Sustituir: F_e = (200\,\text{N/m})(0{,}03\,\text{m}) = 6\,\text{N}.
  4. El signo - indica que la fuerza se opone al estiramiento. Respuesta: F_e = 6\,\text{N}, dirigida hacia el equilibrio.

Un resorte de k = 80\,\text{N/m} se comprime con una fuerza de 24\,\text{N}. ¿Cuál es la deformación \Delta x?

  1. Despejar la deformación de F_e = kx: x = \dfrac{F_e}{k}.
  2. Sustituir: x = \dfrac{24\,\text{N}}{80\,\text{N/m}} = 0{,}3\,\text{m}.
  3. Equivalencias: 0{,}3\,\text{m} = 30\,\text{cm} = 300\,\text{mm}. Respuesta: x = 0{,}3\,\text{m}.

Tabla

Concepto Símbolo Unidad Fórmula
Fuerza elástica F_e \text{N} F_e = k\,x
Deformación \Delta x o x \text{m} x = F_e/k
Constante de rigidez k \text{N/m} k = F_e/x
Fuerza externa F_{ext} \text{N} Equilibrio: F_{ext} = F_e
Situación Dirección de F_{ext} Deformación Dirección de F_e
Resorte comprimido Hacia el resorte (izquierda) \Delta x de compresión Hacia la derecha (opuesta)
Resorte estirado Alejándose del resorte (derecha) \Delta x de estiramiento Hacia la izquierda (opuesta)

Diagrama

graph LR
  A[Resorte en equilibrio] -->|Fuerza externa F_ext| B[Deformación Δx]
  B -->|Fuerza de restauración F_e = k·x| A
  A ---|k = rigidez (N/m)| C[Constante de rigidez]

Fórmulas y ecuaciones

Fuerza elástica: F_e = k\,x

Fuerza elástica en forma vectorial: \vec{F}_e = -k\,\vec{x}

Constante de rigidez: k = \dfrac{F_e}{x} (pendiente de la gráfica F_e vs x)

F_e = k\,x

\vec{F}_e = -k\,\vec{x}

k = \frac{F_e}{x}

\Delta x = \frac{F_e}{k}

Glosario (8)

Fuerza elástica
Fuerza de restauración que ejerce un resorte sobre un cuerpo cuando este lo deforma, dirigida siempre en sentido opuesto al desplazamiento.
Ley de Hooke
Principio que establece que la fuerza que ejerce un resorte es directamente proporcional a la deformación que experimenta: $F_e = kx$.
Constante de rigidez ($k$)
Constante que caracteriza la dureza de un resorte; se expresa en newton por metro (N/m) y se obtiene como la pendiente de la gráfica $F$ vs $x$.
Deformación
Cambio en la longitud o forma de un cuerpo respecto de su estado de reposo, denotado por $\Delta x$.
Elasticidad
Propiedad de un material para deformarse bajo una fuerza y recuperar su forma original al retirar dicha fuerza.
Fuerza de restauración
Fuerza que actúa sobre un cuerpo para devolverlo a su posición de equilibrio; en el resorte es $F_e = kx$ con dirección opuesta al desplazamiento.
Posición de equilibrio
Posición de reposo de un resorte donde no se ejerce fuerza elástica, es decir, con deformación $x = 0$.
Límite elástico
Deformación máxima que un material soporta sin quedarse deformado de forma permanente.

Preguntas para practicar

¿Puedes mencionar algún objeto en tu entorno que pueda comportarse como un resorte?

Amortiguadores y suspensión de automóviles, colchones y somieres, muelles de cierre de puertas, balanzas de resorte y cuerdas elásticas. Todos se deforman al aplicarles una fuerza y recuperan su forma al retirarla.

¿Cómo crees que la elasticidad de un objeto afecta su comportamiento?

La elasticidad permite que el objeto se deforme bajo la carga y recupere su forma al retirarla; un material más elástico (menor $k$) se deforma más para la misma fuerza y absorbe mejor los impactos.

¿Cómo argumentarías desde la experimentación que la fuerza de un resorte es proporcional a su deformación?

Colgando masas conocidas, se mide la elongación; al graficar $F_e = mg$ versus $x$ se obtiene una recta que pasa por el origen, cuya pendiente es la constante de rigidez $k$. Al duplicar la carga se duplica la elongación, lo que confirma la proporcionalidad $F_e = kx$.

Temas y conceptos clave

Fuerza elásticaLey de HookeConstante de rigidezDeformación y elasticidadCriterios y objetivos del Tema 6Saberes previosFuerza elásticaLey de HookeDeformación ($\Delta x$)Constante de rigidez ($k$)Fuerza de restauraciónElasticidadEquilibrio de un resorte

Fuentes y referencias

  • https://n9.cl/88c6io
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Figuras de la página (2)

Cuatro diagramas de un resorte unido a una pared. En la fila superior, el resorte comprimido por una fuerza externa $F_{ext}$ roja hacia la izquierda y el resorte estirado por $F_{ext}$ roja hacia la derecha. En la fila inferior, el resorte responde con una fuerza elástica $F_e$ verde en sentido contrario (hacia la derecha cuando está comprimido, hacia la izquierda cuando está estirado), y se marca la deformación $\Delta x$ entre la posición de equilibrio y la nueva posición del bloque.
Figura 1 image
Emblema circular del texto educativo con un cohete y el número 79, junto a la leyenda «Texto de Física».
Figura 2 image

Preguntas que la gente también hace

¿Qué es la ley de Hooke y cómo se expresa matemáticamente?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué diferencia hay entre la fuerza elástica y la fuerza de restauración?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Por qué la fuerza que ejerce un resorte es directamente proporcional a su deformación?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
📌 Antes de leer esto
  • • Vectores y dirección de las fuerzas
  • • Unidades de fuerza (newton) y de longitud (metro)
  • • Gráficas de proporcionalidad directa
  • • Experimentación básica con masas y medición de elongaciones
Siguiente tema sugerido
Desarrollo del tema: experimentación con resortes, obtención gráfica de la constante de rigidez $k$ y ejercicios numéricos de la ley de Hooke
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TEMA 6:

Fuerza elástica

Fext Fext

Fuente: https://n9.c/88c6io

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

CE.CN.F.5.7. Argumenta desde la experimentación y la observación de fenómenos la ley de Hooke (fuerza que ejerce un resorte es proporcional a la deformación que experimenta), estableciendo su modelo matemático y su importancia para la vida cotidiana.

OBJETIVOS

propios del pensamiento científico, y, adoptar una actitud crítica y fundamentada

OG.CN.10. Apreciar la importancia de la formación científica, los valores y actitudes ante los grandes problemas que hoy plantean las relaciones entre ciencia y sociedad.

Saberes previos ¿Puedes mencionar algún objeto en tu entorno que pueda comportarse como un resorte? ¿Cómo crees que la elasticidad de un objeto afecta su comportamiento?

Texto de Física \ 79

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