La página presenta la información inicial para las actividades: "Leo la siguiente información y realizo las actividades a continuación". Analicemos el contenido para darle sentido físico.
¿Por qué la fuerza elástica no es constante?
- Cuando un resorte se estira o se comprime, aparece una fuerza restauradora dirigida hacia la posición de equilibrio del resorte.
- Según la ley de Hooke, dentro del rango elástico esa fuerza es directamente proporcional a la deformación x: F_e = -k \, x, donde k es la constante de rigidez del resorte y el signo negativo indica que la fuerza es restauradora (se opone al estiramiento o a la compresión).
- Como x cambia en cada instante, F_e también cambia: no existe un valor único de fuerza elástica mientras el resorte se deforma, por lo tanto no es una fuerza constante.
La fuerza elástica depende de la deformación (F_e = -k x); al variar la elongación o compresión, varía la fuerza, así que no es constante.
¿Cómo interviene la segunda ley de Newton en este análisis?
- Sobre la masa que cuelga del resorte actúan dos fuerzas: el peso P = m g hacia abajo y la fuerza elástica F_e = k x hacia arriba.
- La fuerza neta es F_{\text{neta}} = P - F_e = m g - k x.
- Aplicando la segunda ley de Newton, F_{\text{neta}} = m \, a: cuando el resorte está deformado en su posición de equilibrio, m g = k x, la fuerza neta es cero y a = 0.
- Si se añaden o retiran masas, se desbalancean las fuerzas, aparece una aceleración neta y el sistema tiende a un nuevo equilibrio.
La segunda ley de Newton (F_{\text{neta}} = m a) permite escribir m g - k x = m a y calcular las aceleraciones del sistema masa–resorte, verificando que en equilibrio a = 0 y m g = k x.
Lectura de la imagen (resorte con regla)
- La regla graduada muestra marcas cada unidad, con números en 0, 5, 10 y 15.
- La flecha rosa señala la posición alcanzada por el extremo del resorte cargado.
- Esa posición corresponde aproximadamente a la marca 10 de la regla.
La deformación del resorte, medida con la regla, es aproximadamente x \approx 10 unidades de longitud (según la escala mostrada).
Significado de la frase final
- "El comportamiento de un resorte varía conforme se añaden fuerzas externas para alterar el equilibrio" significa que cada carga añadida modifica la elongación hasta lograr un nuevo estado de equilibrio (m g = k x).
- "Llegando a deformar su estructura interna molecular" se refiere a que, bajo deformaciones grandes, las moléculas del material se desplazan respecto de su posición de reposo; aparecen tensiones internas que se manifiestan como fuerza elástica restauradora.
- Si la deformación excede el límite elástico, el resorte puede deformarse de forma permanente y dejar de obedecer la ley de Hooke (F_e = -k x deja de cumplirse linealmente).
Comprobación de coherencia
Para un resorte con k = 500 \, \text{N/m} y una deformación de x = 0{,}10 \, \text{m} (equivalente a 10 cm de la regla): F_e = k x = 500 \times 0{,}10 = 50 \, \text{N}. Si esa fuerza soporta el peso de una masa m: m = \dfrac{F_e}{g} = \dfrac{50}{9{,}8} \approx 5{,}1 \, \text{kg}, coherente con un equilibrio m g = k x.
Respuesta: La lectura de la regla (10 unidades) permite calcular F_e = k x y, con ella, la masa sostenida mediante m = k x / g.
Cada fuerza externa añadida cambia la elongación hasta un nuevo equilibrio; en niveles microscópicos, las moléculas se desplazan generando las tensiones internas que producen la fuerza elástica.
