Comprende, que el reposo o el movimiento rectilíneo uniforme, se presentan cuando las fuerzas aplicadas sobre el sistema se anulan entre ellas, y que en presencia de fuerzas resultantes no nulas se producen cambios de velocidad.
Cómo sé que lo aprendió
- Predice el equilibrio (de reposo o movimiento uniforme en línea recta) de un cuerpo a partir del análisis de las fuerzas que actúan sobre él (primera ley de Newton).
- Estima, a partir de las expresiones matemáticas, los cambios de velocidad (aceleración) que experimenta un cuerpo a partir de la relación entre fuerza y masa (segunda ley de Newton).
- Identifica, en diferentes situaciones de interacción entre cuerpos (de forma directa y a distancia), la fuerza de acción y la de reacción e indica sus valores y direcciones (tercera ley de Newton).
Estas evidencias sirven tal cual como indicadores de logro del periodo.
Qué contenidos toca
Cómo lo trabajo en clase 1 h 30
En equilibrio: fuerzas que se cancelan en estructuras reales
ObjetivoAplicar la primera ley de Newton para analizar sistemas en equilibrio estático mediante diagramas de cuerpo libre y verificación experimental con dinamómetros.
MaterialesTres dinamómetros (0–5 N), cuerda resistente, transportador, tres masas de 200 g, soporte universal con barra horizontal, tabla de madera con clavos, papel cuadriculado, regla y escuadra, calculadora científica.
Desarrollo1) Equilibrio simple: colgar una masa de 200 g de un solo dinamómetro; verificar que la lectura equivale al peso. 2) Equilibrio con dos fuerzas: colgar la misma masa de dos dinamómetros con cuerda en V a 45° y 60°; medir tensiones y compararlas con los cálculos teóricos de descomposición vectorial. 3) Diagrama de cuerpo libre: para cada configuración dibujar el DCL con todas las fuerzas (peso, tensiones normales) y verificar que ΣFx = 0 y ΣFy = 0. 4) Variación de ángulo: cambiar el ángulo entre cuerdas a 90° y 120°; calcular predicciones antes de medir y comparar. 5) Análisis: calcular el porcentaje de error entre lo medido y lo teórico; identificar fuentes de incertidumbre.
Producto que entrega el estudianteTabla de datos con tensiones medidas y calculadas para tres configuraciones, diagramas de cuerpo libre detallados, cálculo del porcentaje de error, y un análisis escrito que conecte los resultados con el diseño de estructuras reales colombianas.
«¿Qué ocurre con las tensiones en las cuerdas a medida que el ángulo entre ellas se acerca a 180°? ¿Por qué los cables de los puentes colgantes nunca son completamente horizontales?»
Otras formas de trabajarlo
- Laboratorio de equilibrio con dinamómetros y poleas — Los estudiantes cuelgan pesas de diferentes masas usando cuerdas en ángulos variables. Miden las tensiones con dinamómetros y las comparan con los valores calculados mediante descomposición vectorial. Verifican que la suma vectorial de fuerzas en equilibrio es cero, construyendo diagramas de cuerpo libre experimentales.
- Análisis de estructuras arquitectónicas colombianas — Los equipos analizan fotografías de estructuras emblemáticas colombianas (puentes colgantes del Eje Cafetero, el Puente de Occidente en Antioquia, edificios en Bogotá). Identifican las fuerzas que actúan en cada estructura, elaboran diagramas de cuerpo libre simplificados y argumentan cómo los ingenieros aplican la primera ley de Newton en el diseño estructural.
Cómo lo evalúo
Cuatro niveles listos para la rúbrica del periodo.
Identifica situaciones de equilibrio estático en el entorno cotidiano. Enuncia la primera ley de Newton con sus propias palabras. Dibuja un diagrama de cuerpo libre de un objeto con una o dos fuerzas.
Construye diagramas de cuerpo libre para objetos con múltiples fuerzas. Verifica el equilibrio sumando fuerzas vectorialmente en problemas de dos dimensiones. Calcula tensiones en sistemas simples de cuerdas con ángulos dados.
Resuelve problemas de equilibrio con tres o más fuerzas no colineales usando descomposición vectorial. Analiza sistemas en planos inclinados con fricción. Relaciona los principios del equilibrio con el diseño de estructuras arquitectónicas.
Diseña y analiza sistemas de fuerzas en equilibrio en contextos de ingeniería real. Evalúa críticamente diseños estructurales identificando puntos débiles. Propone modificaciones a sistemas de cableado o estructura usando principios vectoriales y argumenta con cálculos de soporte.
Con qué cierro
- ¿Qué establece la primera ley de Newton y cuál es la diferencia entre equilibrio estático y equilibrio dinámico?
- Un semáforo de 30 N cuelga del centro de un cable horizontal unido a dos postes. Si el cable forma un ángulo de 10° con la horizontal en cada lado, ¿cuál es la tensión en el cable? ¿Qué implicación tiene este resultado para la resistencia de los materiales usados?
- En la tragedia del Puente de Chirajara (Colombia, 2018), uno de los factores analizados fue la distribución de fuerzas en los cables. ¿Qué principios físicos del equilibrio de fuerzas deberían haberse verificado más rigurosamente? ¿Qué responsabilidad tienen los ingenieros en aplicar correctamente la física en diseños estructurales?