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Definición de fuerza de tracción
En los términos más sencillos, una fuerza es un empujón o un tirón. En mecánica básica, distinguimos entre ambas comparando la dirección del vector de fuerza que actúa sobre un objeto con la dirección del movimiento del objeto. Si la fuerza aplicada se alinea con la dirección del movimiento del objeto, la llamamos fuerza de empuje:
Una fuerza de empuje es una fuerza que se alinea con la dirección del estado de movimiento resultante del objeto.
Aunque un objeto esté inicialmente en reposo, consideramos que la fuerza aplicada a un objeto para que se mueva es una fuerza de empuje, porque la dirección del vector de fuerza se alinea con el vector de la velocidad resultante del objeto.
A diferencia de la fuerza de empuje, la noción de fuerza de tracción es un poco más sutil. La razón es que podemos distinguir entre dos tipos de fuerzas de tracción: fuerzas de tracción de contacto o fuerzas de tracción de largo alcance. Una fuerza de tracción de contacto, como su nombre indica, es aquella en la que el agente responsable de ejercer la fuerza sobre el objeto está en contacto directo con él. Por ejemplo, tirar de una cuerda atada a un carro para acercarlo a ti sería un ejemplo de fuerza de tracción de contacto. ¿Qué ocurre entonces con una fuerza de tracción de largo alcance? Para ello, tenemos que hacer una pequeña digresión sobre las interacciones fundamentales en física.
Hay cuatro interacciones fundamentales conocidas en la naturaleza: gravitatoria, electromagnética, débil y fuerte. Centrándonos en las dos primeras, comprobamos que la gravedad es siempre atractiva, mientras que la interacción electromagnética puede ser atractiva o repulsiva. Para estas dos interacciones, podemos definir un campo de fuerza de la siguiente manera:
Un campo de fuerza es una región del espacio producida por una fuente tal que un objeto de prueba colocado en sus proximidades será atraído o repelido hacia la fuente.
Por ejemplo, en el caso de la gravedad terrestre, pensaríamos que la Tierra es la fuente; cualquier objeto de prueba colocado en sus proximidades será atraído hacia ella. Otros tipos de campos de fuerza son los campos eléctricos, en los que una fuerza eléctrica actúa sobre todos los objetos que tienen carga eléctrica, y los campos magnéticos, en los que una fuerza magnética actúa sobre todos los objetos que tienen susceptibilidad magnética , lapropiedad que hace que sean atraídos o repelidos por un imán. Ahora bien, salvo la excepción de las cargas semejantes que se repelen entre sí, comprobamos que los campos de fuerza atraen hacia sí los objetos de prueba a pesar de no estar en contacto directo con ellos. Es decir, los campos de fuerza producen fuerzas de largo alcance. Esto nos permite definir una fuerza de atracción de la siguiente manera:
Una fuerza de atracción es una fuerza en la que un objeto se desplaza hacia la fuente de la interacción, ya sea por contacto directo o por efecto de un campo de fuerza de largo alcance.
Para terminar este apartado, ten en cuenta que sobre un mismo objeto pueden actuar fuerzas de contacto de empuje y de tracción, como en la imagen siguiente:
Fuerzas de empuje y tracción trabajando juntas, dominio público
Ejemplos de fuerza de atracción
Piensa en una fuerza de tracción como la fuerza responsable de mover un objeto desde un estado de reposo hacia la fuente de la fuerza. El objeto se aleja de la superficie de la fuerza aplicada. El tiempo que tarda en moverse el objeto depende de la fuerza de reacción ejercida por el objeto.
Abrir una puerta, pulsar la cuerda de una guitarra, sacar un cubo de agua de un pozo y correr una cortina son ejemplos de fuerzas de tracción por contacto.
La dirección de una fuerza de tracción es la opuesta a la de una fuerza de empuje.
Ahora que conocemos bien el funcionamiento de las fuerzas de atracción de contacto, vamos a examinar más detenidamente la fuerza magnética como ejemplo de fuerza de atracción de largo alcance.
Fuerza de atracción magnética
Piensa en los principios básicos del funcionamiento de un imán. Los imanes son capaces de producir campos magnéticos, atrayendo polos opuestos y repeliendo polos afines. La fuerza de atracción de un imán es la fuerza necesaria para arrancarlo verticalmente de una placa de cualquier material ferromagnético. Es un método fiable para medir el límite de la fuerza de atracción de un imán. Los vendedores y fabricantes que indican la fuerza de atracción de un imán deben realizar este tipo de prueba para determinar la fuerza antes de poder anunciar la cifra. Para obtener la lectura más precisa de la fuerza de atracción, la prueba debe realizarse de tres formas distintas, cada una de ellas suponiendo que la fuerza utilizada para tirar del imán se aplica perpendicularmente a una superficie plana:
1. Mediante la prueba de fuerza de atracción mencionada anteriormente.
2. 2. Colocando imanes entre dos placas de acero.
3. 3. Determinando la fuerza necesaria para separar un imán de otro imán idéntico.
Tres métodos de prueba de la fuerza de atracción para medir la fuerza de los imanes StudySmarter Originals
Examinemos ahora cómo medir la fuerza de atracción de la gravedad como otro caso de fuerza de atracción de largo alcance.
Una medida de la fuerza de atracción de la gravedad
En términos fundamentales, sabemos que el peso mide la fuerza de la gravedad que tira de un objeto. El peso es otra palabra para designar la fuerza de gravedad cerca de la superficie de un planeta. La unidad SI para el peso es elnewton.
El peso es la fuerza que actúa sobre un objeto debido a la gravedad cerca de la superficie de un planeta.
El peso no debe confundirse con la masa. Ten en cuenta que la masa tiene unidades de kg, pero como el peso es una fuerza, tiene unidades de N.
El peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un cuerpo.
\F_{\text{g}} = mg.\]
Numéricamente, sabemos que \(g\) es la aceleración debida a la gravedad. Cerca de la superficie de la Tierra, tiene un valor de \(9,8 \mathrm{m} / \mathrm{s}^2\). Podemos deducir este valor resolviendo la aceleración en la segunda ley de Newton,
\[F = ma,\\]
donde la fuerza neta viene dada por la ley de la gravitación universal de Newton:
\[F = G \frac{Mm}{r^2}.\]
Utilizando \(g\) para denotar la aceleración y sustituyendo la segunda ecuación en la primera, obtenemos
\[g = G \frac{M}{r^2}.\]
Cerca de la superficie terrestre, podemos utilizar el valor del radio de la Tierra para \(r\) y el valor de su masa para \(M\). Sin embargo, esto deja a \(G\), la constante gravitatoria, como una incógnita sin la cual no podemos justificar nuestra medida de la fuerza de atracción de la gravedad. Actualmente, atribuimos la primera derivación empírica del valor de \(G\) a Henry Cavendish.
El experimento de Cavendish
Henry Cavendish realizó un experimento clásico que determinó por primera vez el valor de la constante de Newton \(G\ ), y pudo medir la fuerza de atracción de la gravedad. Determinó la densidad de la Tierra utilizando un dispositivo de balanza de torsión para medir la débil fuerza gravitatoria entre bolas de plomo. Cuando las bolas de plomo se atraían entre sí, la barra giraba para vencer una resistencia de torsión del alambre igual a la fuerza gravitatoria entre las bolas. Esto se debe a que la resistencia es función del ángulo girado y del coeficiente de torsión del alambre. En cierto ángulo, la torsión es igual a la fuerza gravitatoria. En el artículo publicado por Cavendish sobre el experimento, dio el valor de la densidad y la masa de la Tierra, pero nunca mencionó el valor de \ (G\). Hasta que otros científicos no repitieron el experimento no llegaron al valor moderno de \( G\). Sin embargo, el valor de \(G\ ) deducido del experimento de Cavendish era muy exacto y se situaba dentro del 1% de las mediciones actuales.
La balanza de torsión permite medir la fuerza de atracción de la gravedad dominio público
Cálculos de fuerzas de tracción
Terminemos esta explicación considerando algunos ejemplos en los que intervienen fuerzas de tracción.
Recuerda que la primera ley del movimiento o ley de la inercia de Newton dice que un objeto en estado de reposo sigue estando en estado de reposo o se mueve con velocidad uniforme hasta que actúa sobre él una fuerza externa desequilibrada. Repasemos esta ley con un ejemplo trabajado:
Problema:
Unos niños van en el autobús escolar de camino a casa desde el colegio cuando, de repente, el autobús escolar se detiene. Todas las mochilas y fiambreras de los alumnos que están en el suelo empiezan a deslizarse hacia delante. ¿Cuál crees que es la causa de que lo hagan?
Solución:
Las fiambreras y las mochilas en el suelo continúan su estado de movimiento, manteniendo su velocidad (si la fricción es lo suficientemente pequeña como para ser ignorada), a medida que disminuye la velocidad del autobús. La primera ley de Newton nos dice que si sobre un objeto en reposo no actúa ninguna fuerza neta, el objeto permanece en reposo; o si el objeto está en movimiento, continúa moviéndose con velocidad constante en línea recta. En este caso, no hay ninguna fuerza de tracción que impida que las fiambreras y las mochilas se deslicen hacia delante.
La segunda ley de Newton dice que la aceleración producida en un objeto es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él e inversamente proporcional a la masa del objeto. Si se ejerce una fuerza neta sobre un objeto, la velocidad del objeto cambiará, porque una fuerza neta ejercida sobre un objeto puede hacer que aumente su velocidad. O, si la fuerza neta es en sentido contrario al movimiento, la fuerza reducirá la velocidad del objeto.
Veamos un ejemplo de utilización de la segunda ley de Newton para resolver un problema:
Problema: Forzar la detención de un vehículo
Un vehículo circula por la autopista, pero necesita detenerse completamente en el semáforo. ¿Qué fuerza neta media se necesita para detener un vehículo de \(1500\, \mathrm{kg}) a una velocidad de \(100 \, \mathrm{km/h}) por hora en una distancia de \(55 \,\mathrm{kg})?
Fuerza neta media para detener un vehículo en aceleración StudySmarter Originals
Planteamiento:
Podemos utilizar la segunda ley de Newton para determinar la fuerza, ya que conocemos la masa y la aceleración del vehículo. Tenemos la masa pero necesitaremos calcular la aceleración \(a\). Suponemos que la aceleración es constante, por lo que podemos utilizar las ecuaciones cinemáticas.
Solución:
Suponemos que el movimiento se realiza a lo largo del eje \(+x\)-. Nos dan la velocidad inicial \(v_0 = 100 \, \mathrm{km}/\mathrm{h} = 28 \, \mathrm{m}/\mathrm{s}), la velocidad final \(v = 0 \,\mathrm{m}/\mathrm{s}) , y la distancia recorrida \(x - x_0 = 55\, \mathrm{m}). Como la aceleración es la incógnita que buscamos, podemos utilizar la ecuación cinemática independiente del tiempo,
\v^2 = v_0^2 + 2a(x-x_0)\].
de modo que
\a &= \frac{v^2 - v^2_0}{2(x-x_0)} \frac{(0 \,\mathrm{m}/\mathrm{s})^2 - (28 \, \mathrm{m}/\mathrm{s})^2}{2(55 \,\mathrm{m})} ^2 \\ &= -7,1 \Nmathrm{m}/\mathrm{s}^2. \end{align}\]
Entonces, la fuerza neta necesaria es
\[\begin{align} F_{\text{net}} &= ma &= (1500, \mathrm{kg})(-7,1 \mathrm{m}/\mathrm{s}^2) &= 1,1 veces 10^4 \mathrm{N}.end{align}\}]
La fuerza debe ejercerse en sentido contrario a la velocidad inicial, que es lo que significa el signo negativo. Observa también que la fuerza neta responsable de que el carro se detenga es la fuerza de rozamiento.
Fuerzas de atracción - Puntos clave
- Una fuerza de empuje es una fuerza que se alinea con la dirección del estado de movimiento resultante del objeto.
- Una fuerza de atracción es una fuerza en la que un objeto se desplaza hacia la fuente de la interacción, ya sea por contacto directo o por efecto de un campo de fuerza de largo alcance.
- Los imanes son capaces de producir campos magnéticos, atraer polos opuestos y repeler polos afines.
- La fuerza de atracción de un imán es la fuerza necesaria para arrancarlo verticalmente de una placa de cualquier material ferromagnético.
- Cerca de la superficie terrestre, la ecuación del peso da una medida de la fuerza de atracción de la gravedad.
- Atribuimos a Henry Cavendish la primera medición precisa de la constante gravitatoria, \(G\), sin la cual no podríamos deducir la aceleración debida a la gravedad.
Referencias
- https://publicdomainvectors.org/en/free-clipart/Boys-carrying-crate/39172.html
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Preguntas frecuentes sobre Fuerzas de tracción
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