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Fuerzas y movimiento: Definición
Para comprender bien cómo se relacionan las fuerzas y el movimiento, tendremos que familiarizarnos con cierta terminología, así que empecemos explicando con más detalle a qué nos referimos como movimiento y fuerza.
Decimos que un objeto está enmovimiento si se está moviendo. Si no se mueve, decimos que está en reposo.
Fuerza es cualquier influencia que pueda provocar un cambio en el estado de movimiento de un objeto.
Una fuerza puede considerarse como un empuje o tirón que actúa sobre un objeto.
Fuerzas y propiedades del movimiento
Es muy importante tener en cuenta que la velocidad y las fuerzas son vectores. Esto significa que necesitamos especificar su magnitud y dirección para definirlas.
Consideremos un ejemplo en el que podemos ver la importancia de la naturaleza vectorial de la velocidad para hablar del estado de movimiento de un objeto.
Un coche se dirige hacia el oeste a una velocidad constante de. Al cabo de una hora, gira y continúa a la misma velocidad, en dirección norte.
El coche siempre está en movimiento. Sin embargo, su estado de movimiento cambia aunque su velocidad siga siendo la misma todo el tiempo porque, al principio, se mueve hacia el oeste, pero acaba moviéndose hacia el norte.
Una fuerza también es una magnitud vectorial, por lo que no tiene sentido hablar de fuerzas y movimiento si no especificamos su dirección y magnitud. Pero antes de entrar en esto con más detalle, hablemos de las unidades de fuerza. Las unidades SI de fuerza son los newtons. Un newton puede definirse como una fuerza que produce una aceleración de un metro por segundo al cuadrado en un objeto con una masa de un kilogramo.
Las fuerzas se suelen representar con el símbolo. Podemos tener muchas fuerzas actuando sobre el mismo objeto, así que a continuación hablaremos de los aspectos básicos de la gestión de fuerzas múltiples.
Conceptos básicos de fuerza y movimiento
Como veremos más adelante, las fuerzas determinan el movimiento de los objetos. Por tanto, para predecir el movimiento de un objeto, es muy importante saber cómo tratar con fuerzas múltiples. Como fuerzas son magnitudes vectoriales, pueden sumarse sumando sus magnitudes en función de sus direcciones. La suma de un grupo de fuerzas se denomina fuerza resultante o neta.
La fuerza resultante o fuerza neta es una única fuerza que tiene el mismo efecto sobre un objeto que dos o más fuerzas independientes que actúan sobre él.
Fig. 1 - Para calcular la fuerza resultante, hay que sumar como vectores todas las fuerzas que actúan sobre un objeto
Observa la imagen anterior. Si dos fuerzas actúan en direcciones opuestas, el vector fuerza resultante será la diferencia entre ellas, actuando en la dirección de la fuerza con mayor magnitud. Por el contrario, si dos fuerzas actúan en la misma dirección, podemos sumar sus magnitudes para hallar una fuerza resultante que actúe en la misma dirección que ellas. En el caso del cuadro rojo, la fuerza resultante eshacia la derecha. En cambio, para la caja azul, la resultante es
hacia la derecha.
Al hablar de sumas de fuerzas, conviene introducir qué son las fuerzas desequilibradas y equilibradas.
Si la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto es cero, entonces se llaman fuerzas equilibradas y decimos que el objeto está en equilibrio.
Como las fuerzas se anulan entre sí, esto equivale a no tener ninguna fuerza actuando sobre el objeto.
Si la resultante no es igual a cero, tenemos una fuerzadesequilibrada.
Verás por qué es importante hacer esta distinción en los apartados posteriores. Ahora vamos a seguir examinando la relación entre las fuerzas y el movimiento a través de las leyes de Newton.
Relación entre fuerzas y movimiento: Las leyes del movimiento de Newton
Hemos mencionado anteriormente que las fuerzas pueden cambiar el estado de movimiento de un objeto, pero no hemos dicho exactamente cómo ocurre esto. Sir Isaac Newton formuló tres leyes fundamentales del movimiento que describen la relación entre el movimiento de un objeto y las fuerzas que actúan sobre él.
Primera ley del movimiento de Newton: Ley de la inercia
Primera ley de Newton
Un objeto continúa en estado de reposo o se mueve con velocidad uniforme hasta que actúa sobre él una fuerza externa desequilibrada.
Esto está estrechamente relacionado con una propiedad inherente a todo objeto con masa, llamada inercia.
La tendencia de un objeto a seguir moviéndose o a conservar su estado de reposo se llama inercia.
Veamos un ejemplo de la Primera Ley de Newton en la vida real.
Fig. 2 - La inercia hace que sigas moviéndote cuando un coche se para de repente
Pero, ¿qué ocurre con un objeto originalmente en reposo? ¿Qué puede decirnos en ese caso el principio de inercia? Veamos otro ejemplo.
Fig. 3 - El balón permanece en reposo porque no actúa sobre él ninguna fuerza desequilibrada
Fíjate en el balón de fútbol de la imagen anterior. El balón permanece en reposo mientras no actúe sobre él ninguna fuerza externa. Sin embargo, si alguien ejerce fuerza sobre él dándole una patada, el balón cambia su estado de movimiento -deja de estar en reposo- y comienza a moverse.
Fig. 4 - Cuando se da una patada a la pelota, actúa sobre ella una fuerza durante un breve espacio de tiempo. Esta fuerza desequilibrada hace que la pelota salga del reposo, y después de aplicar la fuerza, la pelota tiende a seguir moviéndose con velocidad constante
Pero espera, la ley también dice que la pelota seguirá moviéndose a menos que una fuerza la detenga. Sin embargo, vemos que una pelota en movimiento acaba por volver al reposo después de ser pateada. ¿Se trata de una contradicción? No, esto ocurre porque hay múltiples fuerzas, como la resistencia del aire y la fricción, que actúan contra el movimiento de la pelota. Estas fuerzas acaban provocando que se detenga. En ausencia de estas fuerzas, la pelota seguirá moviéndose con velocidad constante.
A partir del ejemplo anterior, vemos que es necesaria una fuerza desequilibrada para producir el movimiento o cambiarlo. Ten en cuenta que las fuerzas equilibradas equivalen a no tener ninguna fuerza actuando. No importa cuántas fuerzas actúen. Si están equilibradas, no afectarán al estado de movimiento del sistema. Pero, ¿cómo afecta exactamente una fuerza desequilibrada al movimiento de un objeto? ¿Podemos medirlo? Pues bien, la segunda ley del movimiento de Newton trata de esto.
Segunda ley del movimiento de Newton: Ley de la masa y la aceleración
Segunda ley de Newton
La aceleración producida en un objeto es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él e inversamente proporcional a la masa del objeto.
Fig. 5 - La aceleración producida por una fuerza es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del objeto
La imagen anterior ilustra la Segunda Ley de Newton. Puesto que la aceleración producida es directamente proporcional a la fuerza aplicada, duplicar la fuerza aplicada a la misma masa hace que la aceleración también se duplique, como se muestra en (b). Por otra parte, como la aceleración también es inversamente proporcional a la masa del objeto, duplicar la masa aplicando la misma fuerza hace que la aceleración se reduzca a la mitad, como se muestra en (c).
Recuerda que la velocidad es una magnitud vectorial que tiene una magnitud -la rapidez- y una dirección. Como la aceleración se produce siempre que cambia la velocidad, una fuerza que produce una aceleración sobre un objeto puede:
- Cambiar tanto la velocidad como la dirección del movimiento. Por ejemplo, una pelota de béisbol golpeada por un bate cambia su velocidad y dirección.
Cambiar la velocidad mientras la dirección permanece constante. Por ejemplo, un coche que frena sigue moviéndose en la misma dirección pero más despacio.
Cambia la dirección mientras la velocidad permanece constante. Por ejemplo, la Tierra se mueve alrededor del Sol en un movimiento que puede considerarse circular. Aunque se mueve aproximadamente a la misma velocidad, su dirección cambia constantemente. Esto se debe a que está sometida a la fuerza gravitatoria del sol. Las siguientes imágenes lo muestran utilizando una flecha verde para representar la velocidad de la Tierra.
Fig. 6 - La Tierra se mueve aproximadamente a la misma velocidad, pero su dirección cambia constantemente debido a la fuerza gravitatoria del sol, describiendo una trayectoria aproximadamente circular
Fórmula de la fuerza y el movimiento
La segunda ley de Newton puede representarse matemáticamente como sigue:
Ten en cuenta que si actúan varias fuerzas sobre el cuerpo, tenemos que sumarlas para hallar la fuerza resultante y, a continuación, la aceleración del objeto.
La segunda ley de Newton también se escribe muy a menudo como. Esta ecuación establece que la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es el producto de su masa y su aceleración. La aceleración será en la dirección de la fuerza que actúa sobre el cuerpo. Podemos ver que la masa que aparece en la ecuación determina cuánta fuerza se necesita para provocar una determinada aceleración. En otras palabras, la masa nos dice lo fácil o difícil que es acelerar un objeto. Puesto que la inercia es la propiedad de un cuerpo de resistirse a un cambio en su movimiento, la masa está relacionada con la inercia , y de alguna manera es una medida de ésta. Por eso la masa que aparece en la ecuación se conoce como masa inercial.
Lamasa inercial cuantifica la dificultad para acelerar un objeto y se define como la relación entre la fuerza aplicada y la aceleración producida.
Ya estamos preparados para la última Ley del Movimiento.
La Tercera Ley del Movimiento de Newton: Ley de acción y reacción
Tercera Ley del Movimiento de Newton
Toda acción tiene una reacción igual y opuesta. Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (fuerza de acción), el segundo cuerpo responde ejerciendo una fuerza equivalente en sentido contrario (fuerza de reacción).
Observa que las fuerzas de acción y reacción actúan siempre sobre cuerpos distintos.
Fig. 7 - Según la tercera ley de Newton, cuando un martillo golpea un clavo, el martillo ejerce una fuerza sobre el clavo, pero el clavo también ejerce una fuerza igual sobre el martillo en sentido contrario.
Considera a un carpintero clavando un clavo en una tabla del suelo. Digamos que el martillo está siendo impulsado con una fuerza de magnitud. Consideremos esto como la fuerza de acción. Durante el pequeño intervalo en que el martillo y el clavo están en contacto, el clavo responde ejerciendo una fuerza de reacción igual y opuesta
sobre la cabeza del martillo.
¿Qué ocurre con la interacción entre el clavo y la tabla del suelo? ¡Lo has adivinado! Cuando el clavo golpea, ejerciendo una fuerza sobre la tarima, ésta ejerce una fuerza de reacción sobre la punta del clavo. Por tanto, al considerar el sistema clavo-tablero, la fuerza de acción la ejerce el clavo y la de reacción el tablero.
Ejemplos de fuerza y movimiento
Ya hemos visto algunos ejemplos que muestran cómo se relacionan la fuerza y el movimiento al introducir las leyes de Newton. En esta última sección, veremos algunos ejemplos de fuerza y movimientoen la vida cotidiana.
Es muy intuitivo pensar que algo en reposo se mantendrá en reposo a menos que actúe sobre él una fuerza. Pero recuerda que la Primera Ley de Newton también dice que un objeto en movimiento permanece en el mismo estado de movimiento -misma velocidad y misma dirección- a menos que una fuerza lo cambie. Piensa en un asteroide que se desplaza por el espacio. Como no hay aire que lo detenga, sigue moviéndose a la misma velocidad y en la misma dirección.
Y como se mencionó al principio del artículo, un cohete es un gran ejemplo de la tercera ley de Newton, donde los gases expulsados tienen una fuerza de reacción sobre el cohete, produciendo un empuje.
Fig. 8 - Los gases expulsados por el cohete y el empuje son un ejemplo de un par de fuerzas de acción-reacción
Veamos un último ejemplo e intentemos identificar todas las leyes del movimiento aplicables a la situación.
Considera un libro tumbado sobre una mesa. ¿Qué leyes del movimiento crees que se están aplicando aquí? Repasémoslas todas juntas. Aunque el libro esté en reposo, hay dos fuerzas en juego.
- El peso del libro tira de él hacia abajo, contra la mesa.
- Según la tercera ley de Newton, hay una reacción de la mesa a este peso, que actúa sobre el libro. Esto se denomina fuerza normal.
Fig. 9 - La mesa responde al peso del libro que la presiona ejerciendo una fuerza normal
Cuando un objeto interactúa con otro al entrar en contacto con él, el segundo objeto genera una fuerza de reacción perpendicular a su superficie. Estas fuerzas, perpendiculares a las superficies de los objetos que interactúan, se denominan fuerzas normales.
Volviendo a nuestro ejemplo, como las fuerzas que actúan sobre el libro están equilibradas, la fuerza resultante es cero. Por eso el libro permanece en reposo, y no hay movimiento. Si ahora, una fuerza externa empujara el libro hacia la derecha, según la Segunda Ley de Newton, se aceleraría en esta dirección porque esta nueva fuerza está desequilibrada.
Fig. 10 - El libro permanece en reposo porque no actúa sobre él ninguna fuerza desequilibrada
Fuerza y movimiento - Puntos clave
- Una fuerza puede definirse como un empuje o tirón que actúa sobre un objeto.
- La fuerza es una magnitud vectorial. Por tanto, se define especificando su magnitud y dirección.
- La fuerza resultante o neta es una única fuerza que tiene el mismo efecto que tendrían dos o más fuerzas independientes al actuar conjuntamente sobre el mismo objeto.
- La primera ley del movimiento de Newton también se denomina ley de la inercia. Establece que un objeto continúa en estado de reposo o en movimiento con velocidad uniforme hasta que actúa sobre él una fuerza externa desequilibrada.
- La tendencia de un objeto a seguir moviéndose o a conservar su estado de reposo se denomina inercia.
- La segunda ley del movimiento de Newton establece que la aceleración producida en un objeto en movimiento es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él e inversamente proporcional a la masa del objeto.
- Lamasa inercial es una medida cuantitativa de la inercia de un objeto y puede calcularse como la relación entre la fuerza aplicada y la aceleración de un objeto,
.
La tercera ley del movimiento de Newton establece que toda acción tiene una reacción igual y opuesta.
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