La palabra "fuerza" es un término que utilizamos en el lenguaje cotidiano todo el tiempo. A veces hablamos de la fuerza de la naturaleza o de que quizá te estás forzando a repasar, ahora mismo. No queremos hacerte tragar a la fuerza el concepto de fuerza, ¡pero, sin duda te es útil saber qué entendemos por fuerza, en física, para tus exámenes! Así que a eso nos dedicaremos en este artículo.
- En primer lugar, veremos la definición de fuerza y sabremos sus unidades.
- Después, hablaremos de los tipos de fuerzas.
- Por último, repasaremos algunos ejemplos de fuerzas en nuestra vida cotidiana.
Definición de fuerza
La fuerza se define como cualquier influencia que puede cambiar la posición, la velocidad y el estado de un objeto. La fuerza es vectorial, ya que tiene dirección y magnitud.
En otras palabras, la fuerza también puede definirse como un empujón o tirón que actúa sobre un objeto. Esto porque, la fuerza que actúa puede:
- Detener un objeto en movimiento.
- Mover un objeto desde el reposo.
- Cambiar la dirección de su movimiento.
Lo anterior se basa en la primera ley del movimiento de Newton, que establece que un objeto sigue en estado de reposo o se mueve con velocidad uniforme hasta que actúa sobre él una fuerza externa.
Fórmula de la fuerza
La ecuación de la fuerza viene dada por la segunda ley de Newton.
La segunda ley de Newton afirma 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.
La segunda ley de Newton puede representarse de la siguiente manera:
\[\vec{a}=\dfrac{\vec{F}}{m}\]
También, puede escribirse como
\[\vec{F}=m\cdot \vec{a}\]
O, en palabras:
\[\text{Fuerza}=\text{Masa}\times\text{Aceleración}\]
Donde:
- \(F\) es la fuerza en Newtons \((\mathrm{N})\)
- \(m\) es la masa del objeto en \(\mathrm{kg}\)
- \(a\) es la aceleración del cuerpo en \(\mathrm{m/s^2}\).
Por tanto: al aumentar la fuerza que actúa sobre un objeto, su aceleración aumentará, siempre que la masa permanezca constante.
Resolvamos un ejemplo:
¿Cuál es la aceleración producida sobre un objeto, con una masa de \(10\,\mathrm{kg}\), cuando se aplica una fuerza de \(13\,\mathrm{N}\) sobre él?
Solución:
Sabemos que:
\[a=\dfrac{F}{m}=\dfrac{13\,\mathrm{N}}{10\,\mathrm{kg}}=1,3\,\mathrm{m/s^2}\]
Por tanto, la fuerza resultante producirá una aceleración de \(1,3\,\mathrm{m/s^2}\) sobre el objeto.
Unidad de fuerza
La unidad SI de fuerza es el Newton y se suele representar con el símbolo \(\mathrm{N}\).
Un Newton (\(1\,\mathrm{N}\)) puede definirse como una fuerza que produce una aceleración de \(1\,\mathrm{m/s^2}\) en un objeto de masa \(1\,\mathrm{kg}\).
Como las fuerzas son vectores, sus magnitudes pueden sumarse, en función de sus direcciones.
La fuerza resultante es una única fuerza que tiene el mismo efecto que dos o más fuerzas independientes.
Observa la figura siguiente:
- Si las fuerzas actúan en sentidos opuestos, el vector fuerza resultante será la diferencia entre ambas y en la dirección de la fuerza que tenga mayor magnitud.
- Dos fuerzas que actúan sobre un punto en la misma dirección pueden sumarse para producir una fuerza resultante en la dirección de las dos fuerzas.
Fig. 1: Las fuerzas pueden sumarse o restarse entre sí para hallar la fuerza resultante, dependiendo de si las fuerzas actúan en la misma dirección o en direcciones opuestas, respectivamente.
Veamos:
¿Cuál es la fuerza resultante sobre un objeto cuando tiene una fuerza de \(25\,\mathrm{N}\) que lo empuja y una fuerza de rozamiento de \(12\,\mathrm{N}\) que actúa sobre él?
Solución:
La fuerza de rozamiento siempre será opuesta a la dirección del movimiento, por lo que la fuerza resultante es
\[F=25\,\mathrm{N}-12\,\mathrm{N}=13\,\mathrm{N}\]
Entonces, la fuerza resultante que actúa sobre el objeto es \(13\,\mathrm{N}\), en la dirección del movimiento del cuerpo.
Tipos de fuerza
Hemos hablado de que una fuerza, en términos generales, puede compararse como un empuje o un tirón. Sin embargo, un empujón o un tirón únicamente pueden producirse cuando dos o más objetos interactúan entre sí. En cambio, las fuerzas también pueden ser experimentadas por un objeto sin que se produzca ningún contacto directo entre los objetos. Por ello, las fuerzas pueden clasificarse en fuerzas de contacto y fuerzas de campo (sin contacto).
Fuerzas de contacto
Son fuerzas que actúan cuando dos o más objetos entran en contacto entre sí.
Fuerza de reacción normal
Se denomina fuerza normal de reacción a la fuerza que actúa entre dos objetos en contacto. Esta es la responsable de la fuerza que sentimos cuando empujamos un objeto; Al mismo tiempo, ¡es la fuerza que impide que nos caigamos por el suelo al hacerlo! La fuerza de reacción normal actúa siempre normal a la superficie, por eso se llama fuerza de reacción normal.
La fuerza normal de reacción es la fuerza que experimentan dos objetos en contacto entre sí y que actúa perpendicularmente a la superficie de contacto entre ambos objetos. Su origen está en la repulsión electrostática entre los átomos de los dos objetos en contacto.
Fig. 2: Podemos determinar la dirección de la fuerza normal de reacción considerando la dirección perpendicular a la superficie de contacto. La palabra normal es otra manera de decir perpendicular o en ángulo recto.
Siguiendo la imagen anterior: la fuerza normal sobre la caja es igual a la fuerza normal ejercida por la caja sobre el suelo. Esto es resultado de la tercera ley de Newton.
La tercera ley de Newton establece que para cada fuerza existe una fuerza igual que actúa en sentido contrario.
Como el objeto está inmóvil, decimos que la caja está en equilibrio.
Cuando un objeto está en equilibrio, la fuerza total (la suma de fuerzas) que actúa sobre el objeto debe ser cero.\[\sum_{i=1}^n F_i=0\].
Por tanto, la fuerza de gravedad que tira de la caja hacia la superficie terrestre debe ser igual a la fuerza de reacción normal que impide que caiga hacia el centro de la Tierra.
Fuerza de rozamiento
La fuerza de rozamiento (o fricción) es la fuerza que actúa entre dos superficies que se deslizan o intentan deslizarse una contra otra.
Sin la fricción que se opone al movimiento, los objetos seguirían moviéndose con la misma velocidad y en la misma dirección; tal y como establece la primera ley del movimiento de Newton.
Incluso, una superficie aparentemente lisa experimentará cierta fricción, debido a las irregularidades a nivel atómico.
Desde acciones sencillas como caminar, hasta sistemas complejos como los frenos de un automóvil: la mayoría de nuestras dinámicas cotidianas únicamente son posibles gracias a la existencia de la fricción.
Fig. 3: La fuerza de rozamiento sobre un objeto en movimiento actúa debido a la rugosidad de la superficie.
Otros casos importante de fuerza de contacto son la resistencia del aire y la tensión:
- La resistencia del aire es la fuerza de resistencia que experimenta un objeto al desplazarse por el aire.
- Esta se produce debido a las colisiones con las moléculas de aire.
- Por otro lado, la tensión es la fuerza que experimenta un objeto cuando se estira un material.
- La tensión en las cuerdas de escalada es la fuerza que actúa para evitar que los escaladores caigan al suelo cuando resbalan.
Fuerzas de campo
Las fuerzas de campo (sin contacto) actúan entre objetos, aunque no estén físicamente en contacto entre sí. Veamos algunos casos de fuerzas sin contacto, para comprenderlo mejor.
Fuerza gravitatoria
La fuerza de atracción que experimentan todos los objetos que tienen masa en un campo gravitatorio se llama gravedad.
Esta fuerza gravitatoria es siempre atractiva y, en la Tierra, actúa hacia su centro. La intensidad media del campo gravitatorio de la Tierra es de \(9,8\,\mathrm{N/kg}\).
El peso de un objeto es la fuerza que experimenta debido a la gravedad y viene dado por la siguiente fórmula:
\[F=m\cdot g\]
\[\text{Fuerza}=\text{Masa}\times\text{Intensidad del campo gravitatoriol}\]
Donde:
- \(F\) es el peso del objeto,
- \(m\) es su masa,
- \(g\) es la intensidad del campo gravitatorio en la superficie de la Tierra.
En la superficie de la Tierra, la intensidad del campo gravitatorio es aproximadamente constante. Decimos que el campo gravitatorio es uniforme en una región determinada cuando la intensidad del campo gravitatorio tiene un valor constante. El valor de la intensidad del campo gravitatorio en la superficie de la Tierra es igual a \(9,81\,\mathrm{m/s^2}\).
Fig. 4: La fuerza gravitatoria de la Tierra sobre la Luna actúa hacia el centro de la Tierra. Esto significa que la luna orbitará en un círculo casi perfecto. Decimos casi perfecto porque la órbita de la luna es, en realidad, ligeramente elíptica —como todos los cuerpos en órbita—.
Fuerza magnética
Una fuerza magnética es la fuerza de atracción entre los polos iguales y diferentes de un imán.
Los polos norte y sur de un imán tienen una fuerza de atracción, mientras que dos polos semejantes tienen fuerzas de repulsión.
Fig. 5: Podemos ver fuerzas magnéticas de atracción y repulsión entre los polos semejantes y desemejantes de un imán.
Otros casos de fuerzas sin contacto son: las fuerzas nucleares, la fuerza de Ampere y la fuerza electrostática experimentada entre objetos con carga.
Ejemplos de fuerzas
Veamos algunos ejemplos de situaciones en las que entran en juego las fuerzas de las que hemos hablado en los apartados anteriores.
Un libro colocado sobre una mesa experimentará una fuerza llamada fuerza normal de reacción, que es normal a la superficie sobre la que se asienta. Esta fuerza normal es la reacción a la fuerza normal del libro que actúa sobre el tablero (tercera ley de Newton); son iguales, pero de sentido opuesto.
Incluso cuando caminamos, la fuerza de rozamiento nos ayuda constantemente a impulsarnos hacia delante. La fuerza de rozamiento entre el suelo y las plantas de los pies nos ayuda a agarrarnos, al caminar. Por eso, si no fuera por la fricción, desplazarse sería una tarea muy difícil: Un objeto únicamente puede empezar a moverse cuando la fuerza externa vence a la fuerza de rozamiento entre el objeto y la superficie sobre la que se apoya.
Fig. 6: Fuerza de rozamiento al caminar sobre distintas superficies.
El pie empuja a lo largo de la superficie, por lo que aquí la fuerza de rozamiento será paralela a la superficie del suelo. El peso actúa hacia abajo y la fuerza de reacción normal actúa en sentido opuesto al peso. En la segunda situación, es difícil caminar sobre hielo, debido a la escasa fricción que actúa entre las plantas de los pies y el suelo, por lo que nos resbalamos.
Un satélite que vuelve a entrar en la atmósfera terrestre experimenta una gran magnitud de resistencia y fricción del aire. Al caer a miles de kilómetros por hora hacia la Tierra, el calor de la fricción quema el satélite.
Fuerzas - Puntos clave
- La fuerza se define como cualquier influencia que puede cambiar la posición, la velocidad y el estado de un objeto. También, puede entenderse como un empujón o tirón que actúa sobre un objeto.
- La primera ley del movimiento de Newton establece que un objeto continúa en estado de reposo o se mueve con velocidad uniforme hasta que actúa sobre él una fuerza externa.
- La segunda ley del movimiento de Newton establece que la fuerza que actúa sobre un objeto es igual a su masa multiplicada por su aceleración \(\vec{F}=m\cdot \vec{a}\).
- La unidad SI de fuerza es el Newton (\(\mathrm{N}\)).
La tercera ley del movimiento de Newton establece que para cada fuerza existe una fuerza igual que actúa en sentido contrario.
La fuerza es una magnitud vectorial, ya que tiene dirección y magnitud.
Podemos clasificar las fuerzas en fuerzas de contacto y fuerzas de campo.
Ejemplos de fuerzas de contacto son la fricción, la fuerza de reacción y la tensión.
Ejemplos de fuerzas de campo son la fuerza gravitatoria, la fuerza magnética y la fuerza electrostática.
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