Qué es una fuerza? Cómo se relaciona con el movimiento? Prof. Bartolomé Yankovic Nola, 2012 1 Cuando pateamos una pelota o empujamos una mesa, podemos afirmar que se está ejerciendo o se ha ejercido una fuerza. PERO AFIRMAR QUE PARA QUE SE PRODUZCA UN MOVIMIENTO ES NECESARIA EJERCER UNA FUERZA es un error. Una fuerza puede poner un cuerpo en movimiento o detenerlo. Entonces, fuerza es aquello que cambia el estado de movimiento o reposo de un cuerpo. Dos mujeres empujan un automóvil para ponerlo en movimiento. Ellas están ejerciendo una fuerza de contacto - sobre el vehículo. En algunos casos las fuerzas son evidentes, como, por ejemplo, en la pelota que rueda por la cancha y que acaba de ser lanzada por un jugador. El jugador ha efectuado una fuerza directamente sobre la pelota y ésta se ha puesto en movimiento. Estas fuerzas se llaman fuerzas de contacto. En otros casos las fuerzas son más difíciles de observar. Por ejemplo, las fuerzas que actúan sobre los planetas del sistema solar y que los mantienen girando en torno al Sol son fuerzas más complejas. Se llaman fuerzas a distancia. Del mismo modo, la fuerza que mueve un automóvil es el resultado de una serie de transformaciones que tienen lugar en el motor del vehículo y que se relacionan con la mayor potencia del vehículo. En rigor, el acelerador del auto aumenta o disminuye la cantidad de combustible que llega al carburador, y así, controla la rapidez con que se transforma le energía química del combustible en energía mecánica. Una fuerza inexistente? Supongamos un carrito de juguete que se desplaza sobre una mesa. Una persona empuja el carro de tal forma que éste rueda uniformemente. Aquí es posible identificar cuatro fuerzas: - Una hacia delante, que es ejercida por una persona que acciona el carrito; - Una hacia atrás, la fuerza del roce, ejercida por la mesa; - Una hacia abajo, el peso, que es ejercida por la Tierra; - Una hacia arriba, que es ejercida por la mesa.
Analicemos un segundo caso: la persona da un impulso inicial al carrito. Cuando este objeto es impulsado, empieza a moverse en determinada dirección. 2 Qué fuerzas actúan sobre el carrito en este caso? Una hacia delante, que es ejercida por una persona que acciona el carrito; Una hacia atrás, la fuerza del roce, ejercida por la mesa; Una hacia abajo, el peso, que es ejercida por la Tierra; Una hacia arriba, que es ejercida por la mesa. Veamos una tercera situación. Una persona da un impulso inicial al carrito. Entonces, el carrito rueda sobre la mesa y se va deteniendo poco a poco. Qué fuerzas han actuado sobre el carrito después del impulso inicial? Una, hacia atrás, el roce, que es ejercida por la mesa y que tiene como resultado que el carrito se vaya deteniendo, poco a poco; Otra, hacia abajo, el peso, que es una fuerza ejercida por la Tierra; Otra, hacia arriba, ejercida por la mesa y que impide que el carrito se hunda. Contrariamente a la creencia de la mayoría, en este caso no hay ninguna fuerza actuando sobre el carrito hacia adelante. Para aclarar esto basta preguntarse quién podría estar ejerciendo una fuerza hacia delante: - La persona que dio el impulso inicial, ya no tiene contacto con el objeto mientras este se mueve sobre la mesa; - El propio carrito no puede ser porque un cuerpo no puede ejercer fuerza sobre sí mismo; - La mesa ejerce dos fuerzas sobre el carrito una hacia arriba, otra hacia atrás -, pero no ejerce fuerza alguna hacia delante; - La Tierra también ejerce una fuerza, pero hacia abajo. Entonces, hay que convencerse: el carrito se mueve sin que nadie esté ejerciendo sobre él una fuerza hacia delante. En otras palabras, cuando el carrito va rodando sobre la mesa no actúa sobre él ninguna fuerza hacia delante. Entonces, de esto deriva una importante conclusión: Para que un cuerpo esté en movimiento no es necesario que haya una fuerza actuando sobre él en la misma dirección del movimiento. En algunos casos puede existir una fuerza hacia adelante; por ejemplo, en un carro tirado por caballos pero también puede suceder que no haya ninguna fuerza hacia delante, como en
el ejemplo ya descrito del carrito que recibe un impulso inicial y sigue moviéndose sin que nadie lo empuje. Entonces, se comete un error cuando se afirma que un cuerpo solo se mueve si sobre él actúa una fuerza. 3 Para que un cuerpo esté en movimiento no es necesario que haya una fuerza actuando sobre él en la misma dirección del movimiento. En algunos casos puede existir una fuerza hacia adelante; por ejemplo, en un carro tirado por caballos pero también puede suceder que no haya ninguna fuerza hacia delante, como en el ejemplo ya descrito del carrito que recibe un impulso inicial y sigue moviéndose sin que nadie lo empuje. Entonces, se comete un error cuando se afirma que un cuerpo solo se mueve si sobre él actúa una fuerza. Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo influyen en su movimiento. Por ejemplo, pueden modificar la rapidez con que se mueve el cuerpo o pueden hacerlo cambiar de dirección. Se necesita una fuerza para poner en movimiento a un cuerpo que está en reposo, o para detener el cuerpo que está en movimiento. Es necesaria una fuerza para aumentar la rapidez de un objeto. Y es necesaria una fuerza para disminuir su velocidad. La nueva concepción Según la concepción tradicional, en ausencia de fuerzas, todo cuerpo en movimiento se detiene más tarde o más temprano. Según la concepción moderna (*), en ausencia de fuerzas, todo cuerpo en movimiento continúa moviéndose indefinidamente (*) Muñoz, Héctor (1992). Física, Primero Medio. Ediciones pedagógicas chilenas, Santiago. Pág. 55. La concepción tradicional afirmaba que las fuerzas son la causa del movimiento; la nueva concepción ve a las fuerzas como la causa de las variaciones de velocidad. Los elementos de una fuerza Consideremos los movimientos de un jugador de billar. Unas veces toma el taco y golpea la bola en un lado. El jugador sabe muy bien que, según el lugar en que golpee la bola, es decir, según el punto en el cual ejerza su fuerza, los resultados de la jugada serán diferentes.
Al estudiar una fuerza es muy importante saber en qué lugar se ha aplicado. Este lugar se llama punto de aplicación de la fuerza. Sigamos observando los movimientos del jugador de billar: al mover el taco, puede impulsar la bola hacia un lugar u otro, para lo cual se coloca en un punto de la mesa. Lo que le interesa es que la bola tenga una determinada dirección. Así, pues, también es fundamental saber en qué dirección se ejerce una fuerza. 4 La dirección de una fuerza es la línea recta en la cual se aplica dicha fuerza. El punto de aplicación es, por lo tanto, un punto de la línea recta que marca la dirección. Por otra parte, dentro de la dirección elegida la bola se puede mandar a la derecha o a la izquierda. En toda dirección puede haber dos sentidos opuestos. Para saber cómo es exactamente la fuerza que el jugador ha ejercido necesitamos saber en qué sentido se ha ejercido la fuerza. En este caso necesitaríamos saber si el jugador ha lanzado la bola hacia la izquierda o hacia la derecha. Por último, el jugador puede ejercer más o menos fuerza sobre el taco al dar el golpe. La fuerza quedará totalmente determinada, si, además de los anteriores elementos, conocemos su intensidad. La intensidad nos indica si una fuerza es mayor o menor. Entonces, para conocer perfectamente una fuerza y, por consiguiente, los efectos que puede ejercer sobre un cuerpo, es preciso determinar su punto de aplicación, dirección, sentido e intensidad. Una persona empuja Además de su intensidad, la fuerza tiene un punto de aplicación, dirección, y sentido.
Resumiendo: se llama punto de aplicación al lugar del cuerpo donde se aplica la fuerza. La dirección queda señalada por la recta según la cual se manifiesta la fuerza. El sentido es el lugar hacia donde se dirige el esfuerzo, si éste es suficiente, el cuerpo se mueve. En toda dirección hay dos sentidos opuestos. La intensidad es el valor de la fuerza que actúa. En el dibujo representamos a fuerzas de igual dirección A y B - pero con sentido e intensidad distintos. B tiene mayor intensidad que A. A B 5 La representación gráfica de las fuerzas Una vez conocidos los elementos de una fuerza (dirección, punto de aplicación y sentido), parece evidente que su representación debe ser una flecha. El origen de la flecha indica el punto de aplicación de la fuerza. La línea recta a la que pertenece la flecha coincide con la dirección de la fuerza. El extremo de la flecha nos indica el sentido, puesto que en una misma dirección puede haber dos sentidos opuestos. Así, por ejemplo, las fuerzas a y b de la ilustración tienen la misma dirección, pero sus sentidos son opuestos. Por último, la longitud de la flecha mide exactamente la intensidad de la fuerza. Cuando más larga sea la flecha, mayor será la intensidad de la fuerza. Entonces, en el ejemplo, la intensidad de la fuerza a es mayor que la intensidad de b. En estas fuerzas, A y B son los puntos de aplicación. Otros ejemplos se presentan en los dibujos: La fuerza A tiene la misma dirección y sentido que la fuerza B, pero la intensidad de B es mayor; La fuerza C y D tienen la misma dirección, pero distinto sentido. Además, la fuerza D tiene mayor intensidad que C.
6 E y F tienen la misma intensidad, pero diferente dirección y sentido. En el Sistema Internacional de Unidades la intensidad de una fuerza se mide en newtons (N). Síntesis Fuerza es aquello que cambia el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo. No es la causa del movimiento! Toda fuerza viene definida por su punto de aplicación, su intensidad, su dirección y su sentido. En el Sistema Internacional de Unidades la intensidad de una fuerza se mide en newton (N). ------------------------