TEMA 5. LA FUERZA


INDICE

1. LA FUERZA

2. LAS LEYES DE NEWTON

3. APLICACIONES DE LAS LEYES DE NEWTON

4. DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR
5. LEY DE LA GRAVITACIÓN UNIVERSAL

1. LA FUERZA

Se llama fuerza (interacción) a toda acción capaz de modificar el estado de movimiento de un cuerpo o causar deformaciones en él. Podemos distinguir diferentes tipos de interacciones:

  • La interacción entre un imán y una varilla metálica, compruébalo:

  • La interacción entre dos cuerpos cargados con cargas opuestas, compruébalo:

  • La interacción entre dos cuerpos con cargas iguales, compruébalo:

  • La deformación de un muelle, compruébalo:

  • La caída de un cuerpo:

  • Las interacciones que actúan sobre un balón:

La relación entre lo que vamos a ver en este tema (Dinámica) y lo que hemos visto en el tema anterior (movimiento, Cinemática) son estos dos puntos básicos:

  • Las fuerzas son la causa del movimiento.
  • La relación entre fuerza y movimiento se determina mediante la correcta aplicación de las leyes de Newton.

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  • UNIDADES DE FUERZA

La unidad en el SI de la fuerza es el newton (N): Un newton es la fuerza que debe aplicarse a un cuerpo de un kilogramo de masa para que incremente su velocidad 1 m/s cada segundo.

1 N= 1 kg·1m/s2

La fuerza es una magnitud vectorial, es decir, solo queda determinada cuando además de su valor (módulo), tenemos que conocer su dirección y sentido.
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  • FUERZA RESULTANTE

En la mayoría de los casos, sobre un cuerpo no actúa una única fuerza sino un conjunto de ellas (sistema de fuerzas) y da lugar a lo que nosotros llamamos fuerza resultante:

La fuerza resultante es una fuerza que produce sobre un cuerpo el mismo efecto que un sistema de todas las fuerzas que actúan sobre el él, es decir, la suma vectorial de las fuerzas del sistema. Tenemos varios casos:

      • Fuerzas en la misma dirección y en el mismo sentido

      • Fuerzas en la misma dirección y sentido contrario.

      • Fuerzas con direcciones perpendiculares.

      • Fuerzas  angulares (Regla del paralelogramo):

Para realizar el cálculo de fuerzas angulares tenemos que aplicar nuestros conocimientos en matemáticas:


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  • FUERZAS EN EQUILIBRIO

Decimos que dos o más fuerzas aplicadas a un mismo cuerpo están en equilibrio cuando neutralizan mutuamente sus efectos, es decir cuando su resultante es nula.


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2. LAS LEYES DE NEWTON

  • Primera Ley de Newton: Un cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimientos rectilíneo uniforme si no actúa ninguna fuerza sobre él, o bien, si la resultante de las fuerzas que actúa es nula.

  • Segunda Ley de Newton: Si sobre un cuerpo actúa una fuerza resultante no nula, éste adquiere una aceleración directamente proporcional a la fuerza aplicada, siendo la masa del cuerpo la constante de proporcionalidad.

F=m·a

  • Tercera Ley de Newton: Si un cuerpo ejerce una fuerza, que llamamos acción, sobre otro cuerpo, éste, a su vez, ejerce sobre el primero otra fuerza que llamamos de reacción,  con el mismo módulo y la misma dirección, pero de sentido con sentido contrario.

Os dejo un video sobre las tres leyes de Newton para una mejor compresión de estas:

Para repasar la leyes de Newton y ver más ejemplos cotidianos os dejo la siguiente animación:

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3. APLICACIONES DE LAS LEYES DE NEWTON

  • FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN CUERPO

Para resolver problemas tenemos que aplicar las leyes de Newton, pero previamente tenemos que conocer qué fuerzas actúan sobre un cuerpo:

1. Peso: Es la fuerza de atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre él.Un cuerpo tendrá la misma masa en todo el Universo, sin embargo su peso no pesará los mismo en todo el Universo puesto que su peso depende de la aceleración de la gravedad y esta depende del planeta en el que se encuentre el cuerpo. Por ello, una persona en la Luna tiene la misma masa que en la Tierra, sin embargo, en la Luna pesa menos que en la Tierra porque su aceleración de la gravedad es menor.

2.Fuerza Normal: Es la fuerza que ejerce una superficie de apoyo de un cuerpo sobre éste.

3. Fuerza de rozamiento: es la fuerza que aparece en la superficie de contacto de los cuerpos, oponiéndose al movimiento de estos. Las características de esta fuerza son las siguientes:

1. La fuerza de rozamiento no depende de la superficie de contacto entre dos cuerpos.

2. La fuerza de rozamiento depende de la naturaleza de la superficie en contacto.

3.  La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal (N).

Fr= µ·N

Distinguimos dos tipos de fuerza de rozamiento:

a) Fuerza de rozamiento estática: cuando a un cuerpo en reposo se le ejerce una fuerza observamos qu no se desliza inmediatamente, existe una fuerza que se opone a que el cuerpo se ponga en movimiento llamada fuerza de rozamiento estática. Esta fuerza no tiene un valor definido, va aumentando hasta que llega a un valor que es sustituida por la Fuerza de rozamiento cinética. Su coeficiente de rozamiento es el estático.

FeeN

b) Fuerza de rozamiento cinética: aparece cuando el cuerpo empieza a moverse y se opone al moviento del cuerpo. Esta fuerza es la que vamos a utilizar para resolver los problemas de este curso. Su coeficiente de rozamiento es el cinético, que es el que utilizamos para resolver los problemas de este curso.

FddN

Para entender mejor este concepto aquí os dejo par de animaciones:

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  • MOVIMIENTO DE UN CUERPO SOBRE SUPERFICIES HORIZONTALES

El movimiento de un cuerpo sobre un plano horizontal al que se le aplica una fuerza.

La fuerza que actúa sobre el cuerpo perpendicularmente al plano de deslizamiento es su peso:

Peso = m · g

y según la figura de la derecha, es obvio que

N=Peso=m·g 

Por tanto, la fuerza de rozamiento (la cinética, siempre) valdrá:

Fr=µ·N=µ·m·g

La fuerza efectiva que dé origen a la aceleración del objeto será:

Fefectiva=Faplicada– Fr=Fa– µ·m·g

Lo podemos observar con la siguiente animación:

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  • MOVIMIENTO DE CUERPOS SOBRE SUPERFICIES INCLINADAS

Si se trata de un plano inclinado la cruz de fuerzas del sistema queda como vemos a la derecha. Podemos observar que:

    •  La Normal (N) no se anula con el Peso del cuerpo (P) como ocurría en el anterior caso, ya que el peso y la normal no tienen la misma dirección sino que forman un ángulo α, el mismo ángulo que forma la superficie inclinada con la horizontal.
    • La caída del cuerpo la produce la componente tangencial del Peso (Px=m·g·senα)
    • La normal (N) se anula con la componente perpendicular del peso  (Py= m·g·cos α=N)
    • La fuerza de rozamiento, si la hay, será igual a Fr=Py·µ=µ·m·g·cosα.

Para una mejor comprensión os dejo un par de animaciones:

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  • MÁQUINA DE ATWOOD

El físico inglés George Atwood ideó este modelo cuyo propósito era efectuar medidas de precisión de la aceleración debida a la gravedad y estudiar la relación entre las magnitudes de fuerza, masa y aceleración. Se colocan dos masas diferentes en una polea unidas por un hilo inextensible, vemos que la mayor ejerce una fuerza sobre la menor y además que las dos sufren una aceleración, una hacia el suelo y la otra se aleja del suelo con aceleraciones iguales.

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4. DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR

5. LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

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