Concepto de fuerza


Elijamos un objeto determinado y apliquemosle diversas fuerzas, que le producirán distintas aceleraciones. A cada fuerza le asociamos un valor proporcional a la aceleración que producen sobre nuestro objeto. De acuerdo con la segunda ley de Newton, dicha asignación no depende del objeto elegido.
La fuerza es un vector

Es necesario tener siempre presente que la fuerza es un vector. Así, el valor anterior de la fuerza se refiere a su módulo; su dirección y su sentido son aquéllos a lo largo de los cuales está dirigida la fuerza. Cuando sobre un objeto actúan varias fuerzas, la fuerza neta es la suma vectorial de ellas Σi Fi. En este caso, la ecuación de la segunda Ley de Newton es igual a:
La segunda ley de Newton no nos dice nada sobre cómo son las fuerzas que actúan entre los distintos cuerpos. Simplemente nos brinda la sistemática para ir encontrándolas. El mismo Newton fue el que encontró el valor de la fuerza gravitatoria, que actúa entre todos los cuerpos con masa, lo que le permitió explicar el movimiento de los planetas y el de los objetos cerca de la superficie terrestre. Más adelante se descubrieron las fuerzas electromagnéticas y las nucleares.

En el Sistema Internacional la fuerza se mide en newtons (N). 
Newton = kilogramo • metro / segundo2 (1 N = 1 kg • m/s2)

Un newton es la fuerza necesaria para producir en un objeto de un kilogramo de masa una aceleración de un metro por segundo.

Todo lo anterior es válido tanto para las llamadas fuerzas de contacto, por ejemplo, una patada a un balón, como para las fuerzas a distancia, tales como la atracción gravitatoria. De hecho, no existe una diferencia fundamental entre ambos tipos de fuerza. Las fuerzas de contacto son, en realidad, a distancia, pues los átomos que forman los cuerpos que colisionan no llegan nunca a tocarse a escala microscópica.

El peso de un objeto es la fuerza con que la Tierra lo atrae. Como ya hemos dicho, en las cercanías de la superficie terrestre, dicha fuerza es básicamente constante e igual al producto de la masa (gravitatoria) del objeto por una aceleración vertical constante, g. A ésta se le denomina aceleración de la gravedad y su valor es de 9,8 m/s2. En módulo, tenemos:

Cuando se dice, por ejemplo, que un objeto pesa 30 kg, la información que en realidad se está dando es que su masa gravitatoria es de 30 kg y su peso en la Tierra es, por lo tanto, de 30 • 9,8 = 294 N.


En el caso de que una partícula se mueva en una trayectoria circular, donde existen aceleración normal y aceleración tangencial, la segunda ley de Newton es conveniente expresarla como:

Si el movimiento es circular uniforme, no existe aceleración tangencial y, por tanto, Σ Ft = 0. Sólo hay una fuerza neta normal, que denominamos centrípeta, dirigida hacia el centro de la trayectoria, igual a la masa por la aceleración normal, de módulo v2/R y también dirigida hacia el centro.

Ejemplo 1

Calcula la fuerza constante que se ejerce sobre un cuerpo de 2 kg de masa que, partiendo del reposo, se desplaza, en línea recta, 20 m en un tiempo de 10 s.

Solución:
Como la fuerza es constante, el movimiento es, de acuerdo con la segunda ley de Newton, uniformemente acelerado. Al ser la velocidad inicial cero, el espacio recorrido es:


Luego:

Ejemplo 2 

Podemos comprobar la segunda ley de Newton, y llegar a entender mejor sus implicaciones, mediante el experimento que se describe a continuación.
Coloquemos un carrito del que tira un hilo del cual se pueden colgar diversos pesos, tal como se indica en la ilustración. En el hilo se ha insertado un muelle para tener un mejor conocimiento de la fuerza de empuje. Proveamos al carro de un dispositivo que marque su posición a intervalos regulares.

Lo primero que podemos comprobar es que la aceleración con la que se mueve es constante. Esto nos dice que la atracción gravitatoria es constante, independiente de la velocidad. Esto también se manifiesta en el estiramiento del muelle, que no cambia de longitud.

A continuación podemos utilizar diversas combinaciones de pesos para tirar del carro y verificar que las aceleraciones son proporcionales a éstos. Por último, cambiando la masa del carro, se puede ver que la aceleración es inversamente proporcional a ella.




0 comentarios:

Publicar un comentario