Las fuerzas

Tema 7.

Las fuerzas.

​¿Qué es una fuerza?

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​Es una interacción (en forma de tirón o de empujón) de un cuerpo sobre otro

​Una fuerza no se percibe directamente sino que las reconocemos por los efectos que pueden tener.

• Cambio de forma (deformación o rotura)

• Cambio en el movimiento, es decir, aceleraciones (incluyendo desaceleraciones y giros

​La unidad de medida de la fuerza es el Newton (N)

​El vector fuerza

​Para describir una fuerza no es suficiente con indicar su intensidad, es decir, su valor en Newtons.

​La fuerza es una magnitud vectorial. Además de intensidad, tiene dirección, sentido y punto de aplicación. La fuerza se representa mediante vectores.

​Cuanto mayor es la intensidad mayor es la longitud del vector que lo representa.

​La dirección de una fuerza es la línea imaginaria que contiene al vector

​En una misma dirección existen dos sentidos. La cabeza de la flecha indica el sentido de la fuerza.

​Fuerza resultante

​Cuando varias fuerzas actúan sobre un mismo cuerpo producen un único efecto.

​El efecto es el que produciría una única fuerza imaginaria que fuera el resultado de combinar todas las fuerzas reales que actúan sobre dicho cuerpo.

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​Esta fuerza imaginaria se denomina fuerza resultante

​La fuerza resultante se calcula realizando suma o composición de fuerzas. Existen diferentes métodos.

​Método gráfico

​Métodos numéricos

​Si las fuerzas son paralelas la fuerza resultante es la suma de sus intensidades.

​Si las fuerzas son perpendiculares la resultante es la hipotenusa de un triángulo rectángulo del que los vectores son los catetos.

​Descomposición de fuerzas

​A menudo resulta necesario reproducir una fuerza por la combinación de varias. La operación de obtener, a partir de un vector , varios vectores cuya acción conjunta equivale a la del original se denomina descomposición.

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​Los vectores en los que se descompone el vector original se denominan componentes.

​La descomposición suele realizarse en dos componentes perpendiculares. Para descomponer una fuerza se aplica el método del paralelogramo.

​Leyes de la dinámica

​La dinámica estudia el movimiento de los cuerpos y su relación con las fuerzas que lo causan.

​Antes de estudiar las leyes de la dinámica hay que distinguir dos conceptos:

• Un cuerpo está en reposo si no se mueve, es decir, si no cambia de posición respecto de un sistema de referencia.

• Un cuerpo está en equilibrio si todas las fuerzas que se ejercen sobre él se compensan, de modo que la fuerza resultante sea nula.

​Un cuerpo en reposo siempre está en equilibrio pero un cuerpo en equilibrio, cuya resultante de fuerzas sea nula, puede no estar en reposo.

​Primera ley de Newton

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​La 1ª ley de Newton establece que si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza- o si la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es nula-, la velocidad de este cuerpo no variará

​Esto quiere decir que si la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es nula:

• Un cuerpo en reposo se mantendrá en reposo

• Un cuerpo en movimiento seguirá moviéndose con el mismo vector velocidad, ni más rápido ni más lento, y en línea recta.

​Inercia

​De la primera ley de Newton se deduce que todos los cuerpos tienden a mantener su estado de movimiento.

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​Llamamos inercia a la resistencia de los cuerpos a cambiar su estado de movimiento

​La inercia está íntimamamente relacionada con la masa de los cuerpos.

​Cuanto mayor es la masa de un cuerpo, mayor es su inercia y, por lo tanto, más difícil es cambiar su movimiento.

​Segunda ley de Newton

​Cuanto mayor es la masa de un cuerpo, mayor es su inercia, es decir, la resistencia que opone el cuerpo a cambiar su estado de movimiento.

Estos cambios son, en definitiva, cambios del vector velocidad- ya sean de intensidad, dirección o sentido- en el tiempo, es decir, aceleraciones.

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​La 2ª ley de Newton establece que la masa (m), la aceleración (a) y la intensidad de la fuerza resultante sobre un cuerpo (F) se relacionana de este modo:

​F=m·a

​Objetos iguales en forma con la misma masa a los que se aplican fuerzas diferentes adquiriran aceleraciones diferentes, mayor el cuerpo que reciba la fuerza mayor

​Objetos iguales en forma con masas diferentes tendrán aceleraciones diferentes cuando se les aplique el mismo vector fuerza. Adquirirá mayor aceleración el objeto con menos masa

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​La 3ª ley de Newton -también llamada de acción y reacción- establece que cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo (acción), el segundo ejerce una fuerza de la misma intensidad pero de sentido contrario sobre el primer cuerpo (reacción).

​Las fuerzas de acción y reacción actúan en la misma dirección y sentido opuesto. Aunque tengan la misma dirección e intensidad y sentido contrario no se anulan porque la fuerza de acción y la de reacción no se aplican sobre el mismo objeto.

​La Fuerza peso

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​El peso (P) de un cuerpo en la superficie de un astro es la fuerza de la gravedad con la que el astro atrae dicho cuerpo.

​La fuerza peso siempre apunta hacia el centro del astro que la ejerce. En la Tierra, es la responsable de que los cuerpos caigan hacia abajo con una aceleración de 9,8 m/s², la aceleración de la gravedad (g).

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​P=m·g

​Como se trata de una fuerza, el peso se mide en Newtons (N) y no en kilogramos (kg) que es la unidad de masa.

​La fuerza normal

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​La fuerza normal (N) es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado en ella y es siempre perpendicular a la superficie

​La fricción.

​Existe una fuerza ejercida por las superficies y fluidos sobre los cuerpos con los que están en contacto y que se opone a que se muevan:

la fuerza de rozamiento.

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​Llamamos rozamiento (F_r) a la fuerza que se opone a que un cuerpo se mueva respecto a la superfície o fluido con que está en contacto.

​La intensidad de la fuerza de rozamiento:

• Depende de la naturaleza de los materiales en contacto.

• Es proporcional a la fuerza normal ejercida por la superficie sobre el cuerpo.

​Fuerzas de fricción ejercidas por superficies

​La intensidad de la fuerza de rozamiento que una superficie ejerce sobre un cuerpo se calcula mediante la fórmula:

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​La experiencia indica que es más difícil vencer el rozamiento cuando actúa sobre un cuerpo que pretendemos poner en movimiento que cuando este ya está en movimiento.

​De acuerdo con esto, podemos distinguir dos fuerzas de rozamiento con sus respectivos coeficientes:

• Rozamiento estático: Es la fricción que se opone a la fuerza que se ejerce para poner en marcha un cuerpo en reposo.

• Rozamiento dinámico: Es la fuerza de rozamiento cuyo sentido es opuesto al de la velocidad de un cuerpo en movimiento.

​Un cuerpo de masa 2 kg que se desliza sobre un plano horizontal con una velocidad de 4 m/s termina parándose por efecto de la fuerza de rozamiento. Calcula el valor de dicha fuerza si se detiene en 5 s.

​Consideremos un cuerpo de 5 kg de masa situado sobre el suelo horizontal con coeficientes de rozamiento μ_e =0,5 y μ_c =0,2 ¿Cuál es el valor máximo que puede alcanzar la fuerza de rozamiento?