Fuerzas y Leyes de Newton

FUERZAS Y Leyes de Newton

Una fuerza es toda causa capaz de deformar un cuerpo o modificar su estado de reposo o movimiento.

Las fuerzas son magnitudes vectoriales y su unidad en el S.I. es el newton, N.

Punto de aplicación

magnitud

dirección

sentido Toda fuerza tiene un agente específico e identificable, que puede ser animado o inanimado. Por ejemplo el agente de la fuerza de gravedad es la Tierra

CARÁCTERÍSTICAS DE UNA FUERZA

Punto de aplicación.— Es el lugar concreto sobre el cual actúa la fuerza. En el se comienza a dibujar el vector que representa la fuerza.

Punto de aplicación

magnitud

dirección

sentido

Magnitud o Módulo.— Indica el valor numérico de la fuerza en newtons. Se corresponde con la longitud del vector.

Dirección.— Es la recta a lo largo de la cual se aplica la fuerza. La línea sobre la que se dibuja el vector.

Sentido.— Con la misma dirección, una fuerza puede tener dos sentidos opuestos. Se indica con la punta de la flecha del vector.

CAUSAS DEL MOVIMIENTO

La dinámica es la rama de la física que estudia las causas de los cambios en los movimientos de los cuerpos

TIPOS DE FUERZAS

Las fuerzas se clasifican en dos grandes grupos: fuerzas por contacto y fuerzas a distancia o de campos

Las fuerzas por contacto son aquellas que necesitan el contacto directo con un cuerpo para manifestarse.

Ej. Golpear un balón con el pie

En las fuerzas a distancia la interacción se produce entre dos cuerpos separados por una determinada distancia.

Ej. Magnetismo

1ra LEY DE NEWTON

PRINCIPIO DE LA INERCIA

Todo cuerpo continua en su estado de reposo o se mueve con movimiento rectilíneo uniforme si sobre él no actúa ninguna fuerza o si la resultante de todas las fuerzas (fuerza neta) que actúan sobre él es nula.

2da LEY DE NEWTON

PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA

La resultante de las fuerzas (fuerza neta) que actúan sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración que produce

Fresultante = m a

F = m a

3ra LEY DE NEWTON

Cuando dos cuerpos interaccionan, el primero ejerce una fuerza sobre el segundo y éste ejerce una fuerza sobre el primero; estas dos fuerzas tienen la misma dirección, la misma magnitud y sentido contrario.

F´

F

F’

F

PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN

CONSECUENCIAS DE LAS LEYES DE NEWTON

INERCIA.— Es una propiedad que tienen los cuerpos de oponerse a cualquier cambio en su estado de reposo o movimiento

La medida cuantitativa de la inercia de un cuerpo es la MASA INERCIAL

NEWTON.—Es la fuerza que actuando sobre un kilogramo de masa le produce una aceleración de 1 m/s2

Isaac Newton

1N = 1kg x 1m/s2

PESO.—Es la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos

Es una magnitud vectorial cuyo módulo es:

La dirección es vertical; el sentido, hacia abajo y el punto de aplicación se llama centro de masas o de gravedad.

|P | = m |g ||P | = m |g | P P

DIFERENCIAS ENTRE MASA Y PESO

MASA PESO

-Magnitud vectorial-Magnitud escalar

-Se mide con una balanza (en el S.I. en kg)

-Es invariable

-Magnitud escalar

-Se mide con una balanza (en el S.I. en kg)

-Es invariable

-Se mide con el dinamómetro (en el S.I. en N por ser una fuerza)

-Se mide con el dinamómetro (en el S.I. en N por ser una fuerza)

-Es variable porque depende del lugar de universo en el que esté el cuerpo

-Es variable porque depende del lugar de universo en el que esté el cuerpo

TIPOS DE FUERZA

FUERZA NORMAL

Es siempre perpendicular a la superficie de apoyo.

F

N

P

|F| =|N| |N| = |P|

P

x

y

Py

Pxy

a Px se le llama componente tangencial del peso y a Py componente normal del peso.

Se representa por N

En el S.I. se mide en N

Es una fuerza que aparece siempre que un cuerpo está apoyado sobre una superficie; esta fuerza evita que la superficie se deforme.

FUERZA DE ROZAMIENTO

Se representa por FR y es una fuerza que actúa en sentido opuesto al movimiento y se produce como consecuencia de la fricción que tiene lugar entre la superficie del móvil y la superficie sobe la que este se mueve, o bien del medio (gas o líquido) que atraviesa

F

N

P P

x

y

Py

PxFR

FR

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FUERZA DE ROZAMIENTO

1. La fuerza de rozamiento es independiente del área de las superficies en contacto.

2. La fuerza de rozamiento es independiente de la velocidad del movimiento y actúa siempre en sentido contrario.3. La fuerza de rozamiento depende de la naturaleza de las superficies en contacto y del estado de pulimento de las mismas.

4. La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal.

FUERZA DE ROCE

Es una fuerza que se opone al movimiento, depende de las superficies en contacto (coeficiente de roce) y del peso del cuerpo.

DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DE ROCE

NFR Unidades para fuerza de roce

S.I.: Newton

C.G.S.: Dina

Donde:

: Coeficiente de roce

N: Fuerza normal

Existen dos clases de rozamiento: el ESTÁTICO y el DINÁMICO :

(El rozamiento estático es siempre mayor que el dinámico)

µ (mu) se llama coeficiente de rozamiento y es característico de las superficies en contacto. No tiene unidades.(Por eso se dice que es una magnitud adimensional)

- El rozamiento dinámico aparece cuando el cuerpo está en movimiento.

En el plano horizontal la fuerza de rozamiento se calcula :

FR = µ • N

|FR | = µ • |N | = µ • | P | = µ • m • g

µ = FR/ N

FR = µ • N

- El rozamiento estático aparece cuando se trata de poner un cuerpo en movimiento desde el reposo.

- El rozamiento estático aparece cuando se trata de poner un cuerpo en movimiento desde el reposo.

F

N

PP

x

y

Py

Px

La fuerza de roce o de fricción se manifiesta cuando un cuerpo se desliza sobre otro, y afecta el movimiento del cuerpo, se puede decir que es un fuerza que se opone al movimiento del cuerpo. El cual intenta detener.

El vector se grafica de forma opuesta al movimiento.

Fuerza que provoca el movimientoFuerza de roce

Hay fricción cuando las ruedas de un auto rozan el piso de la calle o cuando nos frotamos las manos con una toalla. Visita el siguiente laboratorio online para experimentar con otras sustancias.

http://www.seed.slb.com/es/scictr/lab/friction_exp/index.htm

El aire opone resistencia al auto, en esta situación la fuerza del motor del auto provoca la fuerza para moverse, en cambio el aire ejerce fuerza contraria, lo que se denomina fuerza de roce.

El niño de desliza sobre el resbalín produciéndose movimiento, pero la superficie del juego ejerce fuerza de roce, oponiéndose al movimiento del niño.

Fuerza movimiento

Fuerza roce

En los deportes como en esquí y el patinaje, los deportistas ejercen fuerza para producir movimiento, pero las superficies en las cuales se desplazan ejerce roce, oponiéndose al movimiento.

Fuerza movimiento

Fuerza roce

Fuerza movimiento

Fuerza roce

a)¿Cuándo hay mayor roce, cuando la superficie es rugosa o lisa?Hay mayor roce cuando la superficie es más rugosa.

b) ¿Cuándo hay menor roce, cuando caminamos en el arena o sobre piso de cerámico?Hay menor roce cuando caminamos sobre el piso de cerámico, ya que es una superficie lisa.

c) ¿Qué se intenta hacer cuando colocamos aceite a las puertas en sus bisagras para que no suenen?¿aumentar o disminuir el roce?Se intenta disminuir el roce entre las bisagras.

d) ¿Qué se intenta hacer cuando los autos tienen dibujos en los neumáticos de los vehículos?Se intenta aumentar el roce, para que no se resbalen en los días de lluvia.

Observa las imágenes y dibuja el vector que representa la fuerza de roce en cada situación.

Responde las siguientes preguntas.-¿En qué caso la fuerza de roce es mayor?Resp. Es mayor cuando la caja esta llena de juguetes.

-¿Qué relación existe entre la fuerza de roce y la masa del cuerpo que se desliza?Resp. A mayor masa, mayor es la fuerza de roce.

I. RUGOSIDAD DE LAS SUPERFICIES DE CONTACTO:

Mientras más rugosa la superficie, mayor es la fuerza de roce.

a)¿De qué forma se puede disminuir el roce?

Se puede disminuir el roce haciendo más lisa la superficie o aplicando líquidos resbalosos que hacen que las partes que rozan se deslicen con mayor suavidad unas sobre otrasAlgunos caracoles, así como las babosas, cuando se

mueven segregan un líquido lubricante (resbaladizo) que disminuye la fricción facilitando dicho movimiento.

II. LA MASA DEL CUERPO:

Mientras mayor masa del cuerpo que se desliza, mayor es la fuerza de roce.

Menor masa, menor fuerza de roce Mayor masa, mayor fuerza de roce

III. VISCOSIDAD DE FLUIDOS (GASES Y LÍQUIDOS):

Mientras mas viscoso (resistencia a fluir) sea el fluido, mayor fuerza de roce opone a un cuerpo en movimiento.

Visita el siguiente laboratorio online para experimentar con otras sustancias.http://www.seed.slb.com/es/scictr/lab/visco_exp/index.htm

La miel es un líquido que es más viscoso que el agua, por lo que la miel ejerce mayor fuerza de roce sobre la bolita.

IV. VELOCIDAD CON EL QUE EL CUERPO SE DESPLAZA:

Mayor velocidad, mayor es la fuerza de roce.Cuando en bicicleta y aumentas la velocidad, percibes mayor la fuerza del aire en tu cuerpo

V. FORMA DEL CUERPO:

Cuando la superficie del cuerpo es mayor, mayor es la fuerza de roce que se ejerce.

Ej. Un hombre que se tira de un avión, la fuerza de roce del aire es menor, por que la superficie de su cuerpo es menor. Pero cuando abre el paracaídas, la superficie aumenta por ende aumenta la fuerza del roce del aire.

• Para las siguientes situaciones, analiza y explica el papel que desempeña la fuerza de roce.

SituaciónPapel de la fuerza de roce

Una persona que salta en un paracaídas.

El aire impide que el paracaidista baje a mayor velocidad.

Girar la perilla de una puerta. La perilla, gira gracias al roce que se ejerce entre ella y la mano, si no hubiese no giraría.

Abrir o cerrar un frasco. La fuerza de roce entre la mano y la tapa es la que hace que esta gire y se pueda abrir.

Un auto que frena. El auto cuando frena, recibe una fuerza de roce entre las ruedas y la calle, haciendo que este se detenga.

Usar cuerdas con nudos para escalar un cerro.

Los nudos permiten que aumente el roce y de esa forma se puede subir por la cuerda.

Semejanzas1. Ambas fuerzas

dependen de características del cuerpo.

2. Ambas fuerzas afectan el movimiento del cuerpo.

Diferencias1. El peso afecta verticalmente al cuerpoEl roce actúa horizontalmente con respecto al desplazamiento del cuerpo.

2. El Peso aumenta la velocidad del cuerpo cuando cae.

3. El roce disminuye la velocidad del móvil cuando cae.

• Compara las fuerzas de roce y peso, señalando semejanzas y diferencias.

Estamos acostumbrados a vivir en un mundo con rozamiento, y no vemos nada extraño en caminar, tomar una curva con un coche o lanzar un objeto deslizando por el suelo hasta que se detiene. Pero, ¿qué ocurriría si de pronto desapareciera el rozamiento?

Supongamos que tenemos una superficie grande, como el campo de deportes del polideportivo, en la que hay tanto aceite en el suelo que el rozamiento se ha reducido hasta desaparecer.a) ¿Cómo caminarías si te encuentras parado en el centro del campo?b) Si entras corriendo por la puerta y te intentas detener una vez que has entrado en la zona engrasada, y suponiendo que lograras mantener el equilibrio, ¿qué sucederá? ¿Podrás tomar una curva, desviarte a la derecha por ejemplo?c) Si lanzamos una pelota deslizando por el suelo engrasado, ¿cuándo se detiene? ¿Cuándo se detendría si nuestra superficie engrasada diera la vuelta a la Tierra?d) ¿Qué sucede cuando un coche entra en una mancha de aceite justo antes de una curva? ¿Cuál es la razón?

• Para las siguientes situaciones, explica en tu cuaderno en qué caso la fuerza de roce es mayor.

- Cuando se desliza una caja de 1 kilogramo o una caja de 5 kilogramos sobre una mesa..

- Cuando se arrastra un cajón sobre un piso de baldosas o sobre el cemento.

- Al empujar un mismo auto en el cemento o en un camino pedregoso.

EJERCICIOUn bloque de 2 [kg] se desliza sobre una superficie horizontal. En el momento en que su rapidez es 5 [m/s], se le aplica una fuerza constante de 12 [N], paralela a la superficie y en el mismo sentido del movimiento. Si la fuerza de roce es de 4 [N], determine la fuerza neta sobre el bloque.

A) 16 [N]B) 12 [N]C) 8 [N]D) 4 [N]E) 2 [N]

EL ROCE PUEDE SER

• ESTÁTICO

Actúa cuando el cuerpo está en reposo.

• CINÉTICO

Actúa cuando el cuerpo está en movimiento.

FUERZA DE ROCE ESTÁTICO

• La fuerza de roce estático es una fuerza variable, que equilibra las fuerzas que tienden a poner en movimiento al cuerpo.

• La fuerza de roce estático tiene un valor límite, que está dado por

NFS S

EJERCICIOUn bloque de 100 [kg] de masa es empujado con una fuerza horizontal de 80[N], paralela a la superficie. Si el bloque está en reposo y el coeficiente de roce estático entre el bloque y la superficie es 0,12, el módulo de la fuerza de roce es de: (asuma que la gravedad es de 10m/seg )

A) 120 [N]B) 80 [N]C) 60 [N]D) 40 [N]E) 0 [N]

NFK K

FUERZA DE ROCE CINÉTICO

• Cuando un cuerpo está en MOVIMIENTO, en la zona de contacto entre el móvil y la superficie actúa la fuerza de roce cinético.

• El módulo de la fuerza de roce cinético es

EJERCICIOSobre un plano horizontal se empuja un cuerpo de 10 [N] de peso con una fuerza constante, paralela al plano, cuyo valor es 4[N]. Si el cuerpo mantiene su velocidad constante, ¿cuál es el coeficiente de roce entre el plano y el cuerpo?

A) 0,1

B) 0,2

C) 0,3

D) 0,4

E) 0,5

LA TENSIÓN

La tensión se representa por T y es una fuerza que aparece siempre que se tira de una cuerda o de un cable.

En el S.I. se mide en N

a

a

P

N

TFR

T

P

PLANO INCLINADOPLANO HORIZONTAL

P

N

P

a

T

a

FR

T

Estado de equilibrio

Como ya explicamos, un cuerpo opone una resistencia a el cambio de su movimiento rectilíneo uniforme o a su estado de reposo, que es proporcional a la masa del propio cuerpo. Cuando un cuerpo no cambia su régimen de movimiento o reposo se dice que está en equilibrio.

El cambio en su velocidad (aceleración) se logra aplicando una fuerza, esta aceleración es proporcional a la fuerza resultante (suma de todas las fuerzas).

Por lo tanto esa fuerza neta ha roto su estado de equilibrio.

FUERZA RESULTANTELa fuerza resultante, R, es una sola fuerza que tiene el mismo efecto que si todas las que actúan sobre el cuerpo interviniesen a la vez.

COMPOSICIÓN DE FUERZAS

•Composición de dos fuerzas. Regla del paralelogramo

1. Representa las dos fuerzas con el mismo punto de aplicación.

2. Construye un paralelogramo trazando paralelas a cada fuerza desde el extremo de la otra.

3. Une el punto de aplicación con el vértice opuesto del paralelogramo. Esa es la fuerza resultante.

RF1

F2

Paralela a F2

Para

lela

a F

1

FUERZA RESULTANTE

• COMPOSICIÓN DE FUERZAS

•Composición de dos fuerzas. Regla del polígono

•Une los vectores por el origen

•Ahora une el origen de la primera fuerza con elextremo de la

Segunda.

MEDIDA DE LAS FUERZAS CON EL DINAMÓMETRO

El dinamómetro es un instrumento que sirve para medir valores de fuerzas. Básicamente es un resorte que calibramos previamente.

FUERZA ELÁSTICA

Es la fuerza de reacción que presenta un medio elástico ante una deformación.

Al tratar de deformar un sólido, la oposición natural se presenta al cesar la fuerza deformadora, pues éste tratará de volver a su estado original (resortes, elásticos).

LEY DE HOOKE

La deformación y la fuerza necesaria para producirla son directamente proporcionales mientras la deformación no sea excesiva.

xkFe

EJERCICIOSi un resorte se estira 10 [cm] cuando se cuelga de él un cuerpo de 500 [g], entonces su constante de rigidez es de:

A) 5 [N/m]B) 10 [N/m]C) 15 [N/m]D) 25 [N/m]E) 50 [N/m]

SÍNTESIS DE LA CLASE

TienenTienen

Las FuerzasLas Fuerzas

La fuerza elásticaLa fuerza elástica

La fuerza de roceLa fuerza de roce

MagnitudMagnitud

SentidoSentido

DirecciónDirección

SonSon

El PesoEl Peso

La TensiónLa Tensión

La NormalLa Normal

CinéticaCinética

EstáticaEstática