Física 2° medio

Fuerza y movimiento

Objetivo: Entender cómo actúan las fuerzas en el entorno y cómo se relacionan con el movimiento.

Ya vimos que cuando decimos que un cuerpo se mueve estamos pensando en que cambia de posición en relación con

algún sistema de referencia. Ahora analizaremos qué es lo que provoca el movimiento y sus cambios. Se sabe que los

agentes responsables de que los cuerpos cambien su estado de movimiento son invisibles y se llaman fuerzas. Sin

embargo, a pesar de que las fuerzas son invisibles producen efectos muchas veces notorios cuando se aplican sobre

los objetos que nos rodean.

Para el estudio de las causas del movimiento es necesario conocer los conceptos de fuerza y masa.

Fuerza

Corresponde a todo lo que sea capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. Muchos de los

cambios que observamos a nuestro alrededor son el resultado de la acción de fuerzas. Por ejemplo, las fuerzas

responsables del movimiento del agua por los ríos, el desplazamiento de las nubes; o al interior de nuestro cuerpo

también actúan fuerzas, por ejemplo para transportar la sangre por el sistema circulatorio.

Una fuerza es una interacción (acción) entre dos cuerpos o un cuerpo con un campo magnético. Por ejemplo, al

empujar o levantar un objeto, se está ejerciendo una fuerza sobre él; la locomotora de un tren ejerce una fuerza

sobre los vagones para poder arrastrarlos.

La unidad de medida de fuerza en el sistema internacional es el newton (N).

Equilibrio entre fuerzas

Todos los cuerpos están sometidos a los efectos de las fuerzas por ejemplo aunque no lo percibas, la fuerza de

gravedad está actuando en todo instante sobre tu cuerpo y sobre todo lo que está a tu alrededor.

En ocasiones las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se contraponen entre sí, dando la impresión de no estar

presentes. En estos casos se dice que las fuerzas se anulan mutuamente y el cuerpo se encuentra en equilibrio traslacional. Para que se pierda este equilibrio basta con que una de las fuerzas que actúa sobre el cuerpo sea

mayor, por ejemplo cuando un tren está detenido existe equilibrio entre las fuerzas que actúan sobre él y este

equilibrio se pierde cuando se pone en movimiento acelerado. Si luego el tren alcanza la una velocidad constante, por

ejemplo de 100 km/h, nuevamente las fuerzas que actúan sobre él están equilibradas.

Las fuerzas son magnitudes vectoriales, al igual a la velocidad y que la aceleración. Donde se representa con un

vector que indica el sentido en que se aplica la fuerza. Cuando dos o más fuerzas pueden ser sumadas

algebraicamente para obtener la fuerza resultante (FR) que actúa sobre el cuerpo. El signo de la fuerza indica el

sentido en que actúa. Por ejemplo:

2 + -6 = -4

Cuando las fuerzas no tienen la misma dirección, también se pueden sumar usando métodos geométricos. Por ejemplo

si dos fuerzas forman un ángulo recto, se pueden sumar aplicando el teorema de Pitágoras:

FR hipotenusa

El valor de la hipotenusa es equivalente a la fuerza resultante F2

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Leyes de Newton

Son la base de la dinámica clásica, y nos proporcionan un análisis de los movimientos que nos rodean y los conceptos

físicos que se desprenden de ellas.

Primera ley: Principio de la inercia, afirma que todo cuerpo mantiene su estad de movimiento uniforme rectilíneo o

de reposo siempre y cuando las fuerzas netas que actúen sobre él sean nulas. La inercia de un cuerpo se relaciona

con la masa de este, a mayor masa mayor será su inercia.

Segunda ley: Principio de la masa, relaciona la aceleración experimentada por un cuerpo con la fuerza neta que

actúa sobre él con su masa. La aceleración experimentada por un cuerpo es proporcional a la fuerza neta aplicada,

donde la constante de proporcionalidad es la masa.

F = m . a Como la masa se expresa en kg y la aceleración en m/s2. La fuerza neta es expresada en kg m/s2,

esta unidad se llama Newton, es decir la fuerza necesaria para que un cuerpo de masa 1 kg cambie su

velocidad en 1 m/s cada segundo.

Tercera ley: Principio de acción reacción, las fuerzas nunca actúan de forma aislada, siempre la acción de una

fuerza va acompañada de una fuerza de reacción, formando un par de fuerzas de acción y reacción.

Fuerza de gravedad (peso) y de roce

Las fuerzas son de distintos tipos y pueden diferenciarse según la interacción en que se originan. Hay varias

importantes en física: las fuerzas eléctricas, magnéticas, nucleares, entre otras. A continuación nos referiremos a

dos: la fuerza de gravedad (o peso) y a la fuerza de roce.

La fuerza de gravedad o peso (P). Corresponde al producto de la masa (m) de un objeto por la aceleración de

gravedad (g) del lugar en que se encuentra (esté o no en movimiento); es decir: P =m x g. Por ejemplo, si la masa de

una persona es de 60 kg, su peso aquí en la superficie terrestre (g = 9,8 m/s2) es de aproximadamente 588 newton.

La masa de un objeto es una propiedad que lo caracteriza, mientras su peso depende del lugar en que se encuentre

(aceleración a la cual está sometido). En efecto, la misma persona cuya masa es 60 kg y posee aquí¬ en la superficie

terrestre un peso de 588 newton, en la superficie de la Luna, donde g = 1,6 m/s2, su masa será la misma mientras su

peso se reducirá a 96 newton, y en el espacio interestelar, lejos de cualquier astro, donde g = 0, deja de tener peso.

La aceleración de gravedad (g) no solo está presente en la superficie de nuestro planeta. En realidad se extiende a

todo el Universo. Tampoco es una propiedad exclusiva de la Tierra, pues la producen todos los cuerpos y todos, en

mayor o menor medida, tienen un peso respecto de los demás. Por lo tanto, la gravedad es la principal fuerza que

determina la dinámica del Universo a gran escala: galaxias, estrellas y planetas.

La fuerza de roce. El roce es la fuerza que siempre se opone al movimiento, cualquiera sea su origen. Existen

fuerzas de roce estático y de roce cinético. Suponiendo que un mueble está en reposo en el suelo, para moverlo se

debe aplicar una fuerza sobre él. Si se le aplica una fuerza creciente, por ejemplo usando un resorte o un elástico,

se observa que éste se estira antes de que el mueble se empiece a mover. Allí¬ está actuando el roce estático.

Después se empezará a mover, y para conseguir que se desplace lenta y uniformemente se necesita aplicar una

fuerza menor que la de roce estático máximo. Cuando el mueble ya se esté moviendo, estará actuando el roce

cinético. El gráfico siguiente ilustra esta situación.

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¿Por qué la fuerza que mide el resorte corresponde a la fuerza de roce?, ¿en qué dirección actúa la fuerza de roce

que experimenta la silla con el suelo?, ¿de qué depende el roce entre la silla y el suelo?

La fuerza de roce FR depende tanto de la fuerza normal (N, fuerza que se ejerce perpendicularmente a la superficie

que soporta un cuerpo) que el suelo aplica sobre la silla, como de los materiales de que estén hechos el suelo y las

patas de la silla. En esta situación en que el suelo es horizontal, el valor de la fuerza normal es igual al peso de la

silla.

Las fuerzas de roce estático FRE y cinético FRC se pueden expresar, en función de la fuerza normal N, del

siguiente modo:

FRE= μE x N

FRC= μC x N

En que μE y μC, denominados coeficientes de roce estático y cinético, respectivamente, dependen exclusivamente de

los materiales de las superficies en contacto.

La siguiente tabla proporciona algunos valores para estos coeficientes.

Los siguientes ejemplos muestran estos conceptos.

Ejemplo 1: Un mueble de 40 kg y con patas de madera está sobre un piso horizontal, también de madera.

¿Cuál es la mínima fuerza horizontal que se le debe aplicar para sacarlo de su estado de reposo?, ¿qué fuerza

horizontal es necesario aplicarle para continuar deslizándolo una vez iniciado el movimiento?

Como se trata de madera sobre madera, los coeficientes de roce estático y cinético son μE = 0,7 y μC = 0,4

respectivamente. Como el peso del mueble es P o N = (40 kg)•(10 m/s2) = 400 newton, igual a la normal N, por

tratarse de una superficie horizontal, entonces, aplicando las relaciones anteriores, tenemos:

FRE= μEN = 0,7•(400 N) = 280 N.

FRC= μCN = 0,4•(400 N) = 160 N.

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Ejemplo 2: Un cajón de madera lleno de manzanas tiene una masa de 30 kg. Para deslizarlo suavemente sobre un

suelo horizontal de concreto se necesita aplicarle una fuerza horizontal de 150 N. ¿Cuál es el coeficiente de roce

cinético entre la madera y el concreto?

Según las expresiones anteriores tenemos que .

Como N = (30 kg)•(10 m/s2) = 300 newton y FRC = 150 newton, tenemos que μC = 0,5.

Los coeficientes de roce son cantidades a dimensionales; es decir, no tienen una unidad de medición, y siempre,

cualquiera sea el par de materiales que se considere, μE μC y sus valores no dependen de la extensión de las áreas en

contacto.

Ejercicios:

1. Una caja de madera de 0,5 Kg está sobre una superficie horizontal de nieve. Sobre la caja se aplica una

fuerza que va en aumento.

a) Calcula la fuerza de roce estático y roce cinético.

b) Si la fuerza toma los valores que aparecen a continuación, indica para cada caso la fuerza de roce

estática y cinética.

+ 0,5 N

+ 1 N

+ 6 N

+ 8 N

c) Cómo se relacionan estas fuerzas en aumento con las fuerzas de roce estático y cinético.