Fuerza y movimiento: Leyes de Newton

Transcripción

1 Fuerza y movimiento: Leyes de Newton

2 1. Fuerzas Muchas veces se escuchan frases como: Tenemos que ganar fuerza! Estás hablando muy fuerte El camión pasó super fuerte Ese jugado r tiene mucha fuerza Cuando uno empuja un plato, ejerce una fuerza sobre él. Del mismo modo, se aplica una fuerza cuando se lanza o se patea una pelota. En estos ejemplos la palabra fuerza está asociada con una actividad muscular y algún cambio en la velocidad de un cuerpo, aunque las fuerzas no siempre causan movimiento. Por ejemplo, cuando nos sentamos a leer un libro una fuerza de gravedad actúa sobre su cuerpo y a pesar de ello, permanece estacionario; o como segundo ejemplo, si se intenta mover una piedra gigante ejercemos fuerza sobre está, pero nos es imposible moverla. Qué fuerza (si la hay) hace que la Luna gire en órbita alrededor de la tierra? Newton contesto ésta y preguntas similares al establecer que las fuerzas son la que producen cualquier cambio de velocidad de un cuerpo. La velocidad de la Luna no es constante porque se mueve en una órbita casi circular alrededor de la Tierra. Ahora sabemos que este cambio en velocidad es causado por la fuerza gravitacional ejercida por la Tierra sobe la Luna. Sólo una fuerza puede causar un cambio de velocidad. Podemos considerar primeramente, que una fuerza es aquello que ocasiona que un cuerpo acelere. Aquí nos encontramos con dos tipos de fuerzas, las fuerzas de campo y de contacto. Las fuerzas de campo no implican un contaron físico entre dos cuerpos, sino que actúan a través del espacio vacío. En (a) tenemos la fuerza gravitacional que mantiene a los cuerpos unidos a la Tierra. En (b) tenemos como fuerza de campo a la fuerza eléctrica que una carga ejerce sobre otra. Y en (c) tenemos a la fuerza magnética que ejerce un imán sobre una barra de hierro. Ahora en (d) tiramos de un resorte de

3 modo que este se estira, en (e) debemos tirar de un carro con fuerza suficiente para superar la fricción que ejerce la superficie para lograr que este se mueve, en (f) cuando se patea un balón este se deforma y se pone en movimiento. En esta categoría, las fuerzas de contacto, existe un contacto físico entre dos cuerpos. Qué ocurre cuando varias fuerzas actúan simultáneamente sobre un cuerpo? En este caso, el cuerpo acelera sólo si la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo se define como la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él. Por ejemplo, cuando le pides a otra persona que te ayude a empujar una caja, lo que sucede: Veamos otros casos: Debes tener presente lo siguiente con respecto al concepto de Fuerza en física: 1. Las fuerzas se ejercen no se poseen 2. Es una magnitud dirigida (vector) 3. Para que haya(n) fuerza(s) debe haber al menos dos cuerpos 4. Produce deformaciones o aceleraciones 5. No se puede acumular ( Juntemos fuerza ) 6. Se pueden sumar vectorialmente

4 Con lo anterior, definiremos fuerza como la acción que ejerce un cuerpo sobre otro, el cual produce cambio de movimiento (aceleración) o deformación. Desarrollemos aún más esta idea Si la fuerza neta (suma vectorial de fuerzas) ejercida sobre un cuerpo es cero, la aceleración de éste será cero y su velocidad permanece constante. De modo que, si la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es cero, este permanece en reposo o continúa su movimiento con velocidad constante. Cuando la velocidad de un cuerpo es constante (incluyendo cuando está en reposo), se dice que está en equilibrio. Las fuerzas son magnitudes vectoriales cuya unidad es el Newton [N]. Por esto, todas las fuerzas aplicadas sobre un cuerpo se pueden representar mediante un vector cuyo signo depende del sentido en que se aplica la fuerza, según determine el sistema de referencia escogido. Cuando dos o más fuerzas tienen la misma dirección, pueden ser sumadas algebraicamente para obtener la fuerza resultante (FR) que actúa sobre el cuerpo. El signo de la fuerza resultante indica el sentido en que actúa. Por ejemplo, un cuerpo sometido a la acción de dos fuerzas con distinto sentido: 2. Leyes de Newton. Isaac Newton fue un científico inglés que escribió Los principios matemáticos de la filosofía natural ("Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica"). En este libro estableció que todo movimiento se rige bajo tres principios, que el día de hoy lo conocemos como Las tres leyes de Newton. Permiten explicar tanto el movimiento de los astros como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas. Analicémoslas una a una. 2.1 Primera Ley de Newton Galileo Galilei observó que un cuerpo se detenía después de haber sido impulsado y atribuyó este efecto a la fuerza de roce que existe entre el objeto y la superficie por la cual se desplaza. Galilei infirió también que si fuera posible eliminar totalmente el roce, el objeto continuaría moviéndose en forma indefinida, sin ser necesario mantener la fuerza inicial. El inglés Isaac Newton se basó en los trabajos de Galilei para establecer la llamada primera ley de Newton o principio de inercia, que dice que todo objeto en reposo (v = 0 ), o con movimiento rectilíneo uniforme ( v =

5 constante), mantiene ese estado a menos que se produzca un desequilibrio entre las fuerzas que actúan sobre él ( Fn 0). La primera ley de Newton o principio de inercia afirma que todos los cuerpos permanecen en su estado de reposo o de movimiento uniforme rectilíneo, a menos que actúe sobre ellos una fuerza neta que cambie ese estado. La masa de un cuerpo, físicamente, es una medida de su inercia, es decir la oposición que presenta a ser acelerado linealmente. Por ello se dice que los cuerpos con mayor masa tienen más inercia que los cuerpos de menor masa. Esta es la razón por la que, en estricto rigor, la masa de un cuerpo se denomina masa inercial. 2.2 Segunda Ley de Newton. Isaac Newton planteó que la aceleración que adquiere un cuerpo no solo depende de las fuerzas que actúan sobre él, sino también de su masa. Él formuló una segunda ley o principio de masa, que establece lo siguiente: la aceleración que experimenta un cuerpo es proporcional a la fuerza neta aplicada, e inversamente proporcional a su masa inercial, lo que puede escribirse de la siguiente forma: a = F n m De esta relación se deduce la expresión que resume la segunda ley de Newton: Fn = m a Fn: fuerza neta m: masa del cuerpo a: aceleración La aceleración del cuerpo tiene igual dirección y sentido que la fuerza neta. Como la masa se expresa en kg y la aceleración en m/s 2. La fuerza neta queda expresada en kg m/s 2. Esta unidad se llama newton [N]. 1N=1kg m/s 2

6 2.3 Tercera Ley de Newton. La tercera Ley de Newton postula que la fuerza que impulsa un cuerpo genera una fuerza igual que va en sentido contrario. Es decir, si un cuerpo ejerce fuerza en otro cuerpo, el segundo cuerpo produce una fuerza sobre el primero con igual magnitud y en dirección contraria. La fuerza siempre se produce en pares iguales y opuestos. Por esta razón, a la tercera ley de Newton también se le conoce como ley de acción y reacción. 3. Diagrama de cuerpo libre Corresponde a la representación gráfica de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en estudio. Para resolver problemas utilizando DCL, se debe seguir los siguientes pasos: 1) Hipótesis de movimiento. 2) Dibujar las fuerzas sobre cada cuerpo (DCL). 3) Plantear F = m a para cada eje, resolver ecuaciones e interpretar resultados.

7 Situaciones en la vida en que pudiésemos utilizar DCL: