En la naturaleza, el concepto de fuerza está presente en numerosos ejemplos de la vida diaria. Al golpear un balón con el pie, levantar un objeto de mucha masa o golpear una pelota de tenis, se aplica una fuerza. De estas experiencias se deduce que, para que exista una fuerza, deben interaccionar dos objetos.
Una misma fuerza puede ocasionar diversos efectos sobre un mismo objeto. Así, un balón de fútbol golpeado con el pie puede rodar sobre la hierba o salir impulsado hacia arriba.
Fuerzas a Distancia
Los objetos pueden interaccionar de dos formas: entrando en contacto o estando a cierta distancia entre sí. Las fuerzas a distancia son aquellas que se ejercen sin necesidad de contacto entre el cuerpo que genera la fuerza y el que la recibe. Una característica de este tipo de fuerzas es que suelen crear campos de fuerza.
Este concepto está incluido dentro del campo de la física. Tal vez uno de los ejemplos más extremos de este tipo de fuerza es el de las fuerzas nucleares, donde las partículas generan cohesión en el núcleo del átomo. Por otro lado, un ejemplo más común que se puede ver en diferentes momentos y situaciones de la vida cotidiana son los imanes (cuando están separados), los cuales están presentes en casi todos los electrodomésticos y dispositivos tecnológicos que usamos.
Magnitudes Escalares y Vectoriales
En Física, para comprender mejor los fenómenos de la naturaleza, se realizan mediciones de dichos fenómenos.
Magnitudes Escalares
Las magnitudes escalares quedan bien definidas únicamente con su intensidad, un número que representa una determinada cantidad. Es decir, aquellas que quedan definidas exclusivamente por un módulo, es decir, por un número acompañado de una unidad de medida. Es el caso de masa, tiempo, temperatura, distancia. Por lo tanto, son aquellas que para quedar bien definidas se requiere su intensidad (valor numérico) y unidad.
Magnitudes Vectoriales
En muchos casos las magnitudes escalares no dan información completa. Para localizar con precisión la posición de los objetos, respecto de un sistema de referencia, hay que expresar además del valor numérico y la unidad de esa distancia, la dirección y el sentido en que se encuentran. Esa información la indican las magnitudes vectoriales. Por lo tanto, son aquellas que para quedar bien definidas se requiere su intensidad (valor numérico), unidad y además su dirección-sentido.
Tenemos entonces las magnitudes vectoriales que, como su nombre lo indica, se representan mediante vectores, es decir que además de un módulo (o valor absoluto) tienen una dirección y un sentido. Ejemplos de magnitudes vectoriales son la velocidad y la fuerza.
Definición de Fuerza
Definimos una fuerza como toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación en él. La unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades (S.I) es el Newton (N).
Las acciones que se ejercen sobre un cuerpo, además de ser más o menos intensas (valor o módulo de la fuerza) son ejercidas según una dirección: paralelamente al plano, perpendicularmente a éste, formando un ángulo de 30… y en determinado sentido: hacia la derecha, hacia la izquierda, hacia arriba, hacia abajo. Por estas razones, las fuerzas para estar correctamente definidas tienen que darnos información sobre su valor (módulo), dirección y sentido.
Podemos obtener sólo una que produzca el mismo efecto que todas actuando a la vez. Esto se consigue sumando las fuerzas actuantes.
- Fuerzas con la misma dirección y sentido: se suman los módulos.
- Fuerzas de la misma dirección y sentido contrario: se restan los módulos.
Leyes de Newton
Newton, uno de los más grandes físicos de la historia, formuló tres leyes, enunciadas en 1687 y hacen referencia al movimiento de los cuerpos. La primera es la ley de inercia, la segunda es la relación entre fuerza y aceleración, y por último la ley de acción y reacción. Aunque estas leyes son llamadas comúnmente Leyes de Newton, por haber sido este físico quien primero las enunció en forma correcta y la aplicó a casos concretos.
Primera Ley de Newton: Ley de la Inercia
La idea aristotélica de que un objeto en movimiento debe estar impulsado por una fuerza continua fue demolida por Galileo, quien dijo que en ausencia de una fuerza, un objeto en movimiento continuará moviéndose. La tendencia de las cosas a resistir cambios en su movimiento fue lo que Galileo llamó inercia. Newton refinó esta idea de Galileo, y formuló su primera ley, que bien se llama ley de la inercia.
La palabra clave de esta ley es continúa: un objeto continúa haciendo lo que haga a menos que sobre él actúe una fuerza. Si está en reposo continúa en un estado de reposo. Esto se demuestra muy bien cuando un mantel se retira con habilidad por debajo de una vajilla colocada sobre una mesa y los platos quedan en su estado inicial de reposo.
Newton complementó los trabajos realizados por Galileo en lo referente a la relación entre fuerza y movimiento. Galileo trabajó sobre el movimiento que realizaban los cuerpos en una superficie horizontal, una vez se les daba cierto impulso. Newton repitió dichos experimentos y descubre que cuanto más lisas son las superficies, tanto más lejos se deslizará el cuerpo antes de llegar al reposo (V = 0), una vez que se hubiese dado el mismo impulso.
La ley establece que un cuerpo no se acelera por sí mismo; la aceleración debe ser impuesta contra la tendencia de un cuerpo a conservar su estado de movimiento. Esto demuestra que todos los cuerpos que están en movimiento tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están en reposo, tienden a seguir en reposo.
Aunque Galileo fue quien introdujo el concepto de inercia, fue Newton quien valoró su importancia. Todo cuerpo posee inercia. Depende de la cantidad de materia en la sustancia de un cuerpo; a mayor cantidad de materia, mayor inercia. Al hablar de cuánta materia tiene un cuerpo, se emplea el término masa.
Cuando un vehículo arranca bruscamente las personas se mueven hacia atrás.
Segunda Ley de Newton: Relación entre Fuerza y Aceleración
La primera ley de Newton nos dice que le pasa a un cuerpo si sobre el no actúa ninguna fuerza. Ahora bien, ¿qué le pasará a un cuerpo si existe una fuerza resultante que actúa sobre él?
Una vez que se conocen las características del movimiento cuando no actúa una fuerza o cuando la fuerza resultante es cero, las preguntas que surgen naturalmente son: ¿Qué pasa si la suma de las fuerzas no se anula? La observación, los experimentos y la reflexión llevaron a Newton a concluir que en estas condiciones la velocidad de un cuerpo no se mantiene constante.
Experimentalmente se comprueba que si actúa una fuerza sobre un objeto en reposo, entonces se mueve siguiendo la misma dirección y sentido que los de la fuerza aplicada y su velocidad aumenta. Ejemplo: Se aplica una fuerza F a un carrito en reposo.
Newton determinó que la aceleración que adquiere un cuerpo depende tanto de la magnitud, la dirección y el sentido de la fuerza resultante que actúa sobre él, como de la masa del objeto. La aceleración es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza resultante. Por otro lado, la aceleración es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se acelera. Esto es, a mayor masa, menor aceleración.
Si aplicas la misma fuerza sobre dos cajas, una con el doble de la masa que otra, la aceleración de la de mayor masa será sólo la mitad. La masa es una magnitud escalar y la fuerza y la aceleración son magnitudes vectoriales que tienen la misma dirección y sentido.
Tercera Ley de Newton: Acción y Reacción
Los conocimientos sobre interacciones entre cuerpos son una buena base para estudiar la tercera ley de Newton. La acción de una fuerza sobre un cuerpo no se puede manifestar sin que haya otro cuerpo que la provoque. La acción de un objeto sobre otro está siempre acompañada por una reacción del segundo cuerpo sobre el primero. La tercera Ley del Movimiento de Newton es el principio de acción y reacción. Este postula que a cada acción corresponde una reacción igual y contraria.
Los cohetes funcionan en base al mismo principio, ya que se aceleran al ejercer una gran fuerza sobre los gases que expulsan. Es importante insistir que las fuerzas de acción y reacción actúan sobre diferentes cuerpos. Nunca actúan sobre el mismo cuerpo. Las fuerzas de acción y reacción constituyen un par de fuerzas.
Las fuerzas siempre ocurren en pares. Por todas partes se observa el cumplimiento de la tercera ley de Newton. Un pez empuja el agua hacia atrás con sus aletas y el agua a su vez empuja al pez hacia delante.
Las fuerzas son interacciones entre cosas diferentes. Cada contacto requiere de por lo menos un dúo; no hay forma de que un cuerpo pueda ejercer una fuerza sobre nada. Las fuerzas, siempre ocurren en pares, y cada miembro del par es opuesto al otro. - Para que se manifieste una fuerza tiene que haber más de un cuerpo como mínimo.
Otras Fuerzas
El peso en nuestro planeta es la fuerza con la que la Tierra atrae a dicho cuerpo. Se nota también que el valor de g decrece a medida que la altitud aumenta. Así, el peso de un cuerpo decrece a medida que aumenta la altitud del punto en donde se encuentra.
En la ciudad de México (donde g = 9.78 m/s2), en Quito (en Ecuador), en La Paz (en Bolivia), etc., el valor del peso de un cuerpo, en virtud de la gran altitud de estas ciudades, es menor que al nivel del mar. En la superficie de la Luna tenemos que g = 1.6 m/s2 (cerca de 6 veces menor que la de la Tierra).
El aparato para medir una fuerza se denomina dinamómetro. La expresión popular "1 kilo" significa realmente 1 kgf, en este caso de medida de una fuerza. Por lo tanto, el peso de la persona, indicado por la báscula es de 60 kgf.
Tu peso es igual a la fuerza con que comprimes el suelo que te sostiene. Si la superficie es horizontal y no hay otra fuerza actuando que la modifique (como por ejemplo la tensión de una cuerda hacia arriba), la fuerza normal es igual al peso pero en sentido contrario. En un plano inclinado la normal es una proyección del peso.
Depende de la naturaleza y del estado de las superficies de contacto de los cuerpos, pero no del área de contacto. La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal (N), la constante de proporcionalidad recibe el nombre de coeficiente de rozamiento, μ.
En el caso de un cuerpo en reposo, la fuerza de rozamiento estática, compensa exactamente la fuerza aplicada en la dirección paralela a la superficie de contacto, hasta llegar a un valor máximo. La fuerza de rozamiento dinámica es siempre algo menor que la fuerza estática máxima que puede ejercer la superficie. Es la que se presenta entre superficies que se encuentran en reposo.
Cuando el cuerpo pasa del movimiento inminente al movimiento propiamente dicho, el valor de la fuerza de rozamiento disminuye y permanece casi constante, si es que la velocidad no es muy grande. Cuando un cuerpo sobre una superficie se empuja o se jala éste puede permanecer inmóvil, esto sucede porque la fuerza aplicada no ha sido suficiente para vencer la fuerza de fricción.
La tensión es una fuerza que convencionalmente aparece siempre asociada a situaciones en las que se tira de un cuerpo con ayuda de un cable o de una cuerda. una fuerza sobre el cuerpo llamada tensión. La tensión T es la fuerza que puede existir debido a la interacción en un resorte, cuerda o cable cuando está atado a un cuerpo y se jala o tensa.
Ley de Hooke
La ley de fuerza para el resorte es la Ley de Hooke. En las figuras, ya sea el eje horizontal o vertical, se aprecia que cuando la fuerza en el resorte es F = 0, el resorte no tiene elongación, o sea X = 0; si se aplica una fuerza de módulo F, el resorte adquiere una elongación X; ahora si se duplica la fuerza (2F), se elongará el doble (2X).
Hooke estableció la ley fundamental que relaciona la fuerza aplicada y la deformación producida.
- X es la deformación, esto es, lo que se ha comprimido o estirado a partir del estado que no tiene deformación.
- El signo ( - ) en la ecuación se debe a la fuerza restauradora que tiene sentido contrario al desplazamiento.
Como se puede ver la fuerza varía con la longitud X, de compresión o elongación. Esto se expresa diciendo que la fuerza es una función de la posición. La “K” en esta ecuación es una constante de proporcionalidad y comúnmente se llama la constante de elasticidad del resorte o de la fuerza restauradora. Mientras mayor sea el valor de K, más rígido o fuerte será el resorte.
Fue Robert Hooke (1635-1703), físico-matemático, químico y astrónomo inglés, quien primero demostró el comportamiento sencillo relativo a la elasticidad de un cuerpo. Como ya se dijo anteriormente, la deformación que experimenta un cuerpo es directamente proporcional al esfuerzo producido.
Si a un resorte que está en la posición de equilibrio, en X0 = 0, se le suspende una masa m, hará que dicho resorte experimente un estiramiento, en este caso de magnitud ΔX = X. Esta variación de longitud se debe a la fuerza gravitacional, fuerza peso (F=W= Peso= Mg), de sentido vertical hacia abajo.
Dinamómetro
El dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerzas o para pesar objetos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su funcionamiento en el estiramiento de un resorte que sigue la ley de elasticidad de Hooke en el rango de medición. pero no debe confundirse con una balanza de platillos (instrumento utilizado para comparar masas).
Estos instrumentos constan de un resorte, generalmente contenido en un cilindro que a su vez puede estar introducido en otro cilindro. El dispositivo tiene dos ganchos o anillas, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala en el cilindro hueco que rodea al resorte. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho exterior, el cursor de ese extremo se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza.
El dinamómetro funciona gracias a un resorte o espiral que tiene en el interior, el cual puede alargarse cuando se aplica una fuerza sobre él.
Otras aplicaciones indirectas de la ley de Hooke pueden ser observadas en todos los mecanismos que poseen resortes; como relojes analógicos, ellos poseen generalmente resortes de torsión, los que tienen forma de espiral, pero cumplen de igual forma con la ley de Hooke.
Es la unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI) que equivale a la fuerza necesaria para que un cuerpo de 1 kilogramo masa adquiera una aceleración de un metro por segundo cada segundo (lo mismo que decir “por segundo al cuadrado”).
Se denomina potencia al cuociente entre el trabajo efectuado y el tiempo empleado para realizarlo. En otras palabras, la potencia es el ritmo al que el trabajo se realiza.
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