1- Concepto de fuerza
Cada persona tiene una concepción distinta del concepto de fuerza a partir de la experiencia cotidiana.
La fuerza es una magnitud vectorial por la cual un cuerpo puede deformarse, modificar su velocidad o bien ponerse en movimiento. Sin embargo, no todas las fuerzas causan movimiento. Por ejemplo, cuando se está sentado, sobre el cuerpo actúa una fuerza gravitacional y aun así permanecemos fijos sobre la silla.
¿Qué fuerza hace que la Luna orbite la Tierra? Newton respondió esta y otras preguntas relacionadas al afirmar que las fuerzas son lo que causa cualquier cambio en la velocidad de un objeto. La velocidad de la Luna no es constante porque se mueve en una órbita casi circular en torno a la Tierra. Este cambio en velocidad lo causa la fuerza gravitacional ejercida por la Tierra sobre la Luna.
En resumen, podemos definir la Fuerza como una interacción entre dos cuerpos la que se hace evidente cuando existe un cambio de movimiento, una ruptura o deformación en los cuerpos. La fuerza nunca se produce sola, siempre viene en pares.
Al interactuar dos cuerpos, por ejemplo, entre la Tierra y la Luna existe una fuerza de atracción gravitacional. La luna ejerce una fuerza sobre la Tierra originando las mareas y la tierra ejerce una fuerza sobre la luna que le permite girar en torno a ella. Esta pareja de fuerzas nace simultáneamente y los cuerpos se atraen mutuamente.
Todas las fuerzas son expresiones de cuatro clases de fuerzas o interacciones fundamentales entre las partículas; desde el siglo XX se busca unificar todas las interacciones conocidas en una única teoría.
Las cuatro interacciones fundamentales son: gravitatoria, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte.
Dos de ellas las conocemos en la vida cotidiana; las otras dos implican interacciones entre partículas que no podemos observar directamente con nuestros sentidos.
El peso de un cuerpo se debe a la acción de la atracción gravitatoria terrestre sobre él. La atracción del Sol mantiene a la Tierra en su órbita casi circular en torno al Sol.
Otra clase cotidiana de fuerzas, son las interacciones electromagnéticas, que incluyen las fuerzas eléctricas y magnéticas. Si pasamos una peineta por el cabello, la peineta atrae pedacitos de papel; esta interacción es resultado de una carga eléctrica en la peineta.
Las fuerzas magnéticas se dan en interacciones entre imanes o entre un imán y un trozo de hierro. Podría parecer que éstas constituyen una categoría aparte, pero en realidad son causadas por cargas eléctricas en movimiento.
Las otras dos clases de interacciones son menos conocidas, ya que aparecen en la escala del átomo. La interacción fuerte (fuerza nuclear fuerte) mantiene unido el núcleo de un átomo. Los núcleos contienen neutrones y protones. Los protones son positivos y se repelen mutuamente, y el núcleo no sería estable si no hubiera fuerza atractiva de otra clase para contrarrestar las interacciones eléctricas repulsivas. La interacción fuerte también se denomina fuerza nuclear; tiene un alcance mucho menor que las interacciones eléctricas, pero es mucho más fuerte dentro de ese alcance.
En el caso de la interacción débil (fuerza nuclear débil) no desempeña un papel directo en el comportamiento de la materia común, pero es importante en las interacciones fundamentales; esta interacción causa ciertos procesos de desintegración entre partículas fundamentales, una forma común de radioactividad.
Las fuerzas en la naturaleza pueden clasificarse según forma de interacción en fuerzas de contacto y a distancias.
Las fuerzas de contacto implican contacto entre dos objetos, como por ejemplo la fuerza que ejercen las moléculas de gas sobre las paredes de un contenedor, la fuerza que ejerce nuestro pie sobre el suelo.
En el caso de las fuerzas a distancia o de campo no implican contacto físico entre los cuerpos. Actúan a través del espacio vacío como por ejemplo la fuerza gravitacional que mantiene a los planetas en órbita alrededor del sol. La fuerza eléctrica que ejerce una carga eléctrica sobre otra (figura 1e)
1.1- Unidades de Fuerza
La unidad de fuerza en el sistema internacional de unidades es el Newton, simbolizado por N que se define como la fuerza que al actuar sobre un cuerpo de 1 [Kg] de masa le imprime una aceleración de
1ms2
.
1.2- Tipos de fuerza
a) Fuerza peso
(P→)
Es La fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos sobre ella.
Su expresión viene dada por
P =m·g→
donde
g→
es la aceleración de gravedad. En esta expresión m es la masa del cuerpo la cual es constante. Aunque los términos masa y peso se suelen emplear uno por el otro en el lenguaje de la vida cotidiana, son diferentes en el lenguaje científico y no debemos confundirlos.
b) Fuerza normal
(N→)
:
Cuando un monitor de computador está en reposo sobre una mesa, una de las fuerzas que actúan sobre el monitor es la fuerza de gravedad. Pero como las fuerzas vienen de a pares la mesa debe ejercer sobre el monitor una fuerza para impedir que la caja caiga por efecto del Peso, a esta fuerza la llamamos fuerza Normal.
La fuerza Normal sólo está presente si hay contacto entre el cuerpo y la superficie.
En la imagen sobre el monitor actúan la fuerza normal
N→
y la fuerza gravitacional. La fuerza normal es perpendicular a la superficie en que se apoya el objeto y es una reacción al peso. La Fuerza
FT
es la reacción que ejerce el monitor sobre la Tierra.
c) Fuerza roce
fr→
: Cuando un objeto esta en movimiento interactúa con su entorno y con la superficie en la que se desplaza. En esta interacción ocurre una resistencia al movimiento que se conoce como fuerza de roce o de fricción.
Existen dos tipos de fuerzas de roce que se pueden analizar de la siguiente manera.
Para sacar un cuerpo del reposo la mano de la imagen debe aplicar una fuerza
F→
para dicha acción. La caja interactúa con la superficie y se opone a la fuerza
F→
. Mientras el cuerpo no se mueva la fuerza que se opone al movimiento se conoce como fuerza de roce estática
fs
que en este caso es igual a la fuerza
F→
.
Cuando el cuerpo está a punto de moverse
fs
tiene su máximo valor, cuando la fuerza
F→
sobrepasa a este valor máximo entonces el cuerpo comienza a moverse con una aceleración en la dirección de
F→
.
Cuando el cuerpo esta en movimiento, la fuerza de roce se denomina fuerza de roce cinética
fk
.
La fuerza de roce sea cinética o estática se genera a partir de la naturaleza de las superficies en contacto debido a la rugosidad de ambas.
En las montañas rusas la fricción la puedes observar entre las ruedas del carrito y el riel, determinando su máxima aceleración, y algo muy importante, la mínima distancia de frenado. De modo que esa fricción puede ser de vida o muerte. Sin esa fuerza la montaña rusa nunca pararía.
Si el carrito se mueve aparece la fuerza de roce y tiene una dirección opuesta al movimiento. El roce puede ser efectuado por las ruedas sobre el riel, o por el aire que sopla contra los carros, etc. Este roce funciona de igual manera contra el movimiento frontal de la montaña rusa. Cuando los carros suben tienen que luchar contra la fricción y la gravedad para llegar hasta la cima, es por eso que lo hacen más lento. Una vez ahí, la fricción se supera, la energía potencial se convierte en cinética y la velocidad aumenta hasta llegar a la parte inferior del recorrido.
Las expresiones para ambas fuerzas son:
– Fuerza de roce estático
fs=μs·N
Donde
μs
coeficiente de roce estático y N fuerza normal .
– Fuerza de roce cinético
fk=μk·N
Donde
μk
coeficiente de roce cinético y N fuerza normal .
El coeficiente de roce estático es típicamente mayor que el coeficiente de roce cinético.
d) Fuerza centrípeta
Cuando un cuerpo se mueve en una trayectoria circular experimenta una fuerza que lo obliga a permanecer en dicho movimiento. Esta fuerza que llamaremos centrípeta produce un cambio en la dirección del vector velocidad, pero no en su magnitud, causando por lo tanto una aceleración centrípeta. Esta fuerza actúa hacia el centro de la trayectoria circular.
Vista superior de una bola móvil en una trayectoria circular en un plano horizontal.
Una fuerza
Fr
dirigida hacia el centro del círculo mantiene a la bola móvil en su trayectoria circular.
e) Fuerza gravitacional
Es aquella fuerza que mantiene a los objetos ligados a la tierra y a los planetas en orbita alrededor del Sol.
Viene dada por la expresión.
Fg→=G· m1m2r2 [N]
donde G es la constante de gravitación universal
G=6,673×10-11 N m2kg2
