FUERZA CIENCIAS: FÍSICA PLAN GENERAL FUERZA NORMAL PREUNIVERSITARIO POPULAR FRAGMENTOS COMUNES

Transcripción

1 FUERZA Fuerza es la interacción de dos o más cuerpos que puede causar el cambio de su movimiento. Fuerzas constantes dan origen a cambios progresivos del movimiento de un cuerpo o partícula en el tiempo. Existen dos tipos de fuerza, las fuerzas de contacto y las fuerzas de no contacto. Las fuerzas de contacto son llamadas así por que resultan del contacto físico de dos o más cuerpos. Otra clase de fuerza no involucra el contacto físico entre dos objetos. Los primeros científicos, incluyendo a newton, se sentían incómodos con el concepto de fuerzas que actúan entre dos cuerpos que no tienen contacto entre sí. Para superar esta dificultad conceptual, Michael Faraday introdujo el concepto de un campo, y las fuerzas asociadas a él se denominan fuerzas de campo. Ejemplo, en la siguiente imagen podemos ver una partícula sobre una superficie que genera un ángulo alfa con la horizontal sobre la cual esta una partícula, en este imagen se pueden apreciar todas las fuerzas que actúan sobre ella. FUERZA NORMAL En física, la fuerza normal F n (o N) se define como la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado sobre la misma. Ésta es de igual magnitud y dirección, pero de sentido opuesto, a la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la superficie. Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie, ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la superficie. De acuerdo con la tercera ley de Newton o "Principio de acción y reacción", la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Las fuerzas debido al contacto son siempre perpendiculares (o normales) a la superficie de contacto. En general, la magnitud o módulo de la fuerza normal es la proyección de la fuerza resultante sobre cuerpo F r, sobre el vector normal a la superficie. Cuando la fuerza actuante es el peso, y la superficie es un plano inclinado que forma un ángulo α con la horizontal, la fuerza normal se encuentra multiplicando la masa por g, la gravedad, de manera que: N = m g cos(α) 1

2 LEYES DE NEWTON Las Leyes de Newton, también conocidas como Leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos. Revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento de los cuerpos en el universo, en tanto que Constituyen los cimientos no sólo de la dinámica clásica sino también de la física clásica en general. Aunque incluyen ciertas definiciones y en cierto sentido pueden verse como axiomas, Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y experimentos cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más básicas. La demostración de su validez radica en sus predicciones... La validez de esas predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante más de dos siglos. PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas aplicadas sobre él. Un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra manera, un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta distinta de 0. SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY DE FUERZA Si sobre un cuerpo actúa una fuerza neta, este adquiere una aceleración que es proporcional a dicha fuerza, e inversamente proporcional a la masa inercial del cuerpo: a = 1 M F F = M a TERCERA LEY DE NEWTON Principio de acción y reacción. Si sobre un cierto cuerpo se aplica una fuerza, entonces este cuerpo ejerce una fuerza, de igual magnitud pero de sentido contrario sobre el cuerpo que inicialmente ejerció la fuerza 2

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4 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE El diagrama de cuerpo libre (DCL), corresponde a una herramienta en la que se analiza el cuerpo o partícula como elemento dinámicamente aislado. Para esto se deben representar consecuentemente las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en la situación real. La metodología del DCL comprende los siguientes pasos: Se plantea una hipótesis de movimiento. El cuerpo que se analiza se representa como un punto aislado (concepto de partícula). Las fuerzas que actúan sobre cuerpo se representan vectorialmente en la partícula, manteniendo su dirección, magnitud y sentido original. Asignar ubicación al sistema cartesiano de coordenadas convenientemente. Normalmente se sugiere, solo por razones de sentido práctico, situarlo según el plano del movimiento o del posible movimiento. Por ejemplo, en el caso de planos inclinados, se debe colocar de preferencia paralelo a la superficie del desplazamiento. Aplicar principio de superposición de fuerzas según descomposición vectorial, por lo tanto se debe analizar eje cartesiano. 4

5 TIPOS DE FUERZAS Aquí se muestran algunas de las fuerzas más habituales consideradas dentro del análisis racional de una situación FUERZAS MECÁNICAS Son aquellas fuerzas de contacto que podemos visualizar siempre en nuestro entorno, como el peso, el roce, la normal, la tensión, etc. FUERZA PESO Es una fuerza dirigida hacia el centro de la tierra, pues corresponde a la fuerza con que esta atrae a los cuerpos hacia su centro como resultado de la acción del campo gravitacional que ejerce su masa. P = m g FUERZA DE ROCE Cuando un objeto esta en movimiento sobre una superficie o en un medio viscoso, como el aire o el agua, hay resistencia al movimiento porque el objeto interactúa con su entorno. A esta resistencia se le denomina fuerza de roce. Las fuerzas de roce son muy importantes en nuestra vida diaria; nos permiten caminar correr y son necesarias para el movimiento de vehículos con ruedas La fuerza de roce está directamente relacionada con la fuerza normal sobre el cuerpo, y es ponderada por el coeficiente de roce. F r = μ N El coeficiente de roce es un número dimensional que relaciona la fuerza de roce existente entre 2 superficies de contacto. Todos los materiales que entran en contacto físico con otros materiales, tiene un coeficiente de roce mutuo para ese tipo de contacto. Ejemplo: las ruedas de un auto, contra el asfalto tienen un coeficiente de roce de aproximadamente 0,6. 5

6 FUERZA NORMAL Se define como la fuerza de igual magnitud y dirección que la fuerza que un cuerpo ejerce sobre una superficie, pero en sentido contrario. FUERZA TENSIÓN Es la fuerza transmitida a través de una cuerda inextensible y de masa despreciable, ejercida por un cuerpo ligado a ella. Se representa por un vector dirigido a lo largo de la cuerda. FUERZA ELÁSTICA Al tratar de deformar un sólido, este presenta una oposición natural como reacción que se manifiesta explícitamente al cesar la fuerza deformadora, pues trata de restituirse volviendo a su estado original. En el siglo XVII, el físico ingles Robert Hooke llego a la conclusión que la deformación y la fuerza necesaria para producirla eran directamente proporcionales, mientras la deformación no fuera excesiva. El mayor ejemplo de los cuerpos deformables creados por el hombre, son los resortes. F e = K X 6

7 MOMENTO DE FUERZA (TORQUE) Los cuerpos con ejes de rotación, como las ruedas de los vehículos, puertas y ventanas pueden girar cuando sobre ellas se ha aplicado cierta fuerza. El giro de un objeto al que se le aplica una fuerza, se facilita cuando la fuerza aplicada es grande y/o la distancia que la fuerza aplicada tiene al eje de rotación es grande. Por lo mismo las fuerzas aplicadas en el mismo eje rotacional no producen giro. Al hacer girar una rueda, los factores que determinan el torque ejercido sobre el cuerpo que rotara, están determinados por la magnitud de la fuerza aplicada perpendicularmente al radio de giro y la distancia que esta fuerza tiene al eje de rotación (radio). τ = r F 7