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LEYES DEL MOVIMIENTO LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTONDE NEWTON

FÍSICAFÍSICA

SIR ISAAC NEWTON(1642 - 1727)

FUERZAFUERZA

Concepto: Se considera Concepto: Se considera una fuerza cualquier una fuerza cualquier tipo de empuje o de tipo de empuje o de jalón sobre un objeto.jalón sobre un objeto.

Se ejerce una fuerza cuando:Se ejerce una fuerza cuando:

Empujamos un auto Empujamos un auto descompuestodescompuesto

Un niño tira de un carritoUn niño tira de un carrito

Nos sentamos en una sillaNos sentamos en una silla

Pateamos una pelotaPateamos una pelota

Un motor sube un elevadorUn motor sube un elevador

Un martillo golpea un clavoUn martillo golpea un clavo

Una definición operativa Una definición operativa de fuerza se basa en los de fuerza se basa en los efectos que se observan. efectos que se observan. Esto es, una fuerza se Esto es, una fuerza se describe en términos de lo describe en términos de lo que hace, sabemos que que hace, sabemos que las las fuerzas pueden producir fuerzas pueden producir cambios en el movimiento.cambios en el movimiento.

Una fuerza puede:Una fuerza puede:Poner en movimiento un Poner en movimiento un objeto estacionario.objeto estacionario.

Acelerar o frenar un objeto Acelerar o frenar un objeto en movimiento.en movimiento.

Cambiar la dirección en que Cambiar la dirección en que se mueve.se mueve.

Por consiguiente, un cambio Por consiguiente, un cambio observado en el movimiento; observado en el movimiento; incluido un movimiento desde el incluido un movimiento desde el reposo, es evidencia de una fuerza.reposo, es evidencia de una fuerza.

Definición. Una fuerza es Definición. Una fuerza es algo que puede cambiar el algo que puede cambiar el estado de movimiento de un estado de movimiento de un cuerpo (su velocidad).cuerpo (su velocidad).

La palabra “puede” es muy La palabra “puede” es muy importante aquí, pues sugiere la importante aquí, pues sugiere la posibilidad de que una fuerza esté posibilidad de que una fuerza esté actuando sobre un objeto, pero su actuando sobre un objeto, pero su capacidad para producir un cambio capacidad para producir un cambio de movimiento esté equilibrada, o se de movimiento esté equilibrada, o se anule, por una o más fuerzas. Sin anule, por una o más fuerzas. Sin embargo, si una fuerza actúa embargo, si una fuerza actúa solasola, el , el objeto sobre el que actúa si objeto sobre el que actúa si experimenta una aceleración. experimenta una aceleración. Dado que una fuerza puede producir Dado que una fuerza puede producir una aceleración, una aceleración, es en sí misma una es en sí misma una cantidad vectorialcantidad vectorial..

FUERZAS EQUILIBRADAS Y NO FUERZAS EQUILIBRADAS Y NO EQUILIBRADASEQUILIBRADAS

Si varias fuerzas actúan sobre un Si varias fuerzas actúan sobre un objeto, interesa el resultado de objeto, interesa el resultado de su efecto combinado: la fuerza su efecto combinado: la fuerza neta.neta.

La fuerza neta, Fneta, es la suma La fuerza neta, Fneta, es la suma vectorial vectorial ΣΣFFіі, o resultante, de , o resultante, de todas las fuerzas que actúan todas las fuerzas que actúan sobre un objeto o sistema.sobre un objeto o sistema.

Fuerzas equilibradasFuerzas equilibradas. La fuerza neta . La fuerza neta es cero cuando fuerzas de igual es cero cuando fuerzas de igual magnitud actúan en direcciones magnitud actúan en direcciones opuestas.opuestas.

F2

F3

Fneta = F2 – F1 = 0

Fneta = F2 – F1 = 0

Fneta = F3 – F4 = 0

F2

F1

F4

F1 F3

F4

F2

F1

F1 F2

Fuerzas no equilibradasFuerzas no equilibradas. Una fuerza neta . Una fuerza neta distinta de cero es una fuerza no distinta de cero es una fuerza no equilibrada. En este caso la situación equilibrada. En este caso la situación puede analizarse como si solo una fuerza, puede analizarse como si solo una fuerza, igual a la fuerza neta, estuviera actuando. igual a la fuerza neta, estuviera actuando. Una fuerza neta no equilibrada (FUna fuerza neta no equilibrada (Fnetaneta ≠0) ≠0) produce una aceleración.produce una aceleración.

a

a

Fneta

Fneta = F2 – F1 ≠ 0

F2

F1F1 F2

FUERZAS DE CONTACTO Y FUERZAS DE CAMPOFUERZAS DE CONTACTO Y FUERZAS DE CAMPO

FUERZAS DE CONTACTO. Surgen de FUERZAS DE CONTACTO. Surgen de un contacto físico entre objetos.un contacto físico entre objetos.

Ejemplos:Ejemplos:• Cuando empujamos una puerta para Cuando empujamos una puerta para

abrirla.abrirla.• Lanzamos un balónLanzamos un balón• Un boxeador conecta un jab a su Un boxeador conecta un jab a su

rivalrival• Estiramos un resorteEstiramos un resorte

FUERZAS DE CAMPO. No implican FUERZAS DE CAMPO. No implican contacto entre objetos, estas fuerzas contacto entre objetos, estas fuerzas actúan a distancia. actúan a distancia. Ejemplos:Ejemplos:

• La fuerza de atracción gravitatoria La fuerza de atracción gravitatoria entre dos objetosentre dos objetos

• La fuerza magnética entre dos La fuerza magnética entre dos imanesimanes

• La fuerza de repulsión entre dos La fuerza de repulsión entre dos cargas de igual signo.cargas de igual signo.

Todas las fuerzas fundamentales conocidas en Todas las fuerzas fundamentales conocidas en la naturaleza son fuerzas de campo. En orden la naturaleza son fuerzas de campo. En orden de intensidad creciente son:de intensidad creciente son:

a)a) La fuerza gravitacional, responsable de La fuerza gravitacional, responsable de las atracciones gravitatorias entre las atracciones gravitatorias entre objetos.objetos.

b)b) Las fuerzas nucleares débiles, presentes Las fuerzas nucleares débiles, presentes en ciertos procesos de desintegración en ciertos procesos de desintegración radiactiva.radiactiva.

c)c) Las fuerzas electromagnéticas entre Las fuerzas electromagnéticas entre cargas eléctricas en reposo o en cargas eléctricas en reposo o en movimiento.movimiento.

d)d) Fuerza nuclear fuerte, mantiene unidas Fuerza nuclear fuerte, mantiene unidas entre sí a las partículas en el núcleo. entre sí a las partículas en el núcleo.

PRIMERA LEY DEL PRIMERA LEY DEL MOVIMIENTOMOVIMIENTO

Consideremos el siguiente experimento.Consideremos el siguiente experimento.

Un cubo de metal está sobre una Un cubo de metal está sobre una mesa. Si se le deja así es evidente mesa. Si se le deja así es evidente que permanecerá en reposo. En que permanecerá en reposo. En seguida lo empujamos con una seguida lo empujamos con una fuerza horizontal suficiente como fuerza horizontal suficiente como para vencer la fuerza de fricción para vencer la fuerza de fricción entre el metal y la mesa, por lo que entre el metal y la mesa, por lo que se pone en movimiento.se pone en movimiento.

Si la fuerza aplicada es igual a la Si la fuerza aplicada es igual a la fuerza de fricción, el cubo se mueve fuerza de fricción, el cubo se mueve con velocidad constante. Si la fuerza con velocidad constante. Si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de aplicada es mayor que la fuerza de fricción, el cubo se acelera.fricción, el cubo se acelera.Si dejamos de aplicar la fuerza, el Si dejamos de aplicar la fuerza, el bloque se detiene después de bloque se detiene después de recorrer una cierta distancia. Ahora, recorrer una cierta distancia. Ahora, si lo empujamos sobre un piso si lo empujamos sobre un piso encerado, también se detiene una encerado, también se detiene una vez que se deja de aplicar la fuerza, vez que se deja de aplicar la fuerza, pero no tan pronto como antes.pero no tan pronto como antes.

Finalmente, imaginemos que el Finalmente, imaginemos que el bloque se mueve sobre una bloque se mueve sobre una superficie sin fricción. En este caso, superficie sin fricción. En este caso, continúa desplazándose en línea continúa desplazándose en línea recta con velocidad constante hasta recta con velocidad constante hasta que choca con algún objeto. que choca con algún objeto.

Estas ideas dan forma a lo que se conoce Estas ideas dan forma a lo que se conoce como Primera Ley del Movimiento de como Primera Ley del Movimiento de Newton:Newton:

Todo objeto continúa en su estado deTodo objeto continúa en su estado dereposo o de movimiento uniforme enreposo o de movimiento uniforme enlínea recta a menos que sea obligadolínea recta a menos que sea obligadoa cambiar ese estado por fuerzas quea cambiar ese estado por fuerzas queactúen sobre él.actúen sobre él.

Cuando un objeto está en equilibrio la resultante Cuando un objeto está en equilibrio la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero. de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero. La condición para que un objeto esté en equilibrio La condición para que un objeto esté en equilibrio es:es:

ΣΣFx = 0Fx = 0 ΣΣFy = 0Fy = 0

Estas dos ecuaciones representan un enunciado Estas dos ecuaciones representan un enunciado matemático de la primera condición de matemático de la primera condición de equilibrio, que se enuncia así:equilibrio, que se enuncia así:

““Un objeto se encuentra en estado de equilibio Un objeto se encuentra en estado de equilibio traslacional si, y sólo si, la suma vectorial de las traslacional si, y sólo si, la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre él es igual a cero”fuerzas que actúan sobre él es igual a cero”

MASA E INERCIAMASA E INERCIAPensemos en una bola de boliche y una Pensemos en una bola de boliche y una pelota de golf una junto a la otra en el pelota de golf una junto a la otra en el suelo. Ambos objetos permanecerán en suelo. Ambos objetos permanecerán en reposo en tanto no actúe sobre ellos una reposo en tanto no actúe sobre ellos una fuerza externa.fuerza externa.

Ahora suministramos una fuerza neta Ahora suministramos una fuerza neta golpendo cada objeto con un palo de golf: golpendo cada objeto con un palo de golf: ambos opondrán resistencia al intento de ambos opondrán resistencia al intento de modificar su estado de movimiento.modificar su estado de movimiento.

La experiencia cotidiana nos dice que La experiencia cotidiana nos dice que si el golpe tiene la misma fuerza en si el golpe tiene la misma fuerza en ambos casos, la pelota de golf ambos casos, la pelota de golf recorrerá una distancia mucho mayor recorrerá una distancia mucho mayor que la de la bola de boliche. que la de la bola de boliche.

Es decir, la bola de boliche resiste Es decir, la bola de boliche resiste con más éxito el intento por cambiar con más éxito el intento por cambiar su estado de reposo.su estado de reposo.

La tendencia de un objeto para La tendencia de un objeto para mantener su estado de reposo o de mantener su estado de reposo o de movimiento uniforme en una línea movimiento uniforme en una línea recta se llama recta se llama inerciainercia..

Como resultado, la primera ley de Como resultado, la primera ley de Newton con frecuencia se llama Newton con frecuencia se llama ley ley de la inerciade la inercia..

La masa es una medida cuantitativa La masa es una medida cuantitativa de la inercia.de la inercia.

Es decir, un objeto masivo tiene más Es decir, un objeto masivo tiene más inercia, o más resistencia a un inercia, o más resistencia a un cambio de movimiento, que uno cambio de movimiento, que uno menos masivo.menos masivo.

SEGUNDA LEY DEL SEGUNDA LEY DEL MOVIMIENTOMOVIMIENTO

La primera ley establece que, si ninguna La primera ley establece que, si ninguna fuerza neta actúa sobre un objeto en fuerza neta actúa sobre un objeto en reposo, este permanece en reposo; o, si el reposo, este permanece en reposo; o, si el objeto está en movimiento, continuará objeto está en movimiento, continuará midiéndose con rapidez constante en una midiéndose con rapidez constante en una línea recta.línea recta.Pero, Pero, ¿¿qué ocurre si se ejerce una fuerza qué ocurre si se ejerce una fuerza neta sobre el objeto?neta sobre el objeto? Una fuerza neta ejercida sobre un objeto Una fuerza neta ejercida sobre un objeto puede hacer que aumente su velocidad. O, puede hacer que aumente su velocidad. O, si la fuerza neta se ejerce en una dirección si la fuerza neta se ejerce en una dirección o puesta al movimiento, la fuerza reducirá o puesta al movimiento, la fuerza reducirá la velocidad del objeto.la velocidad del objeto.Como un cambio en la velocidad es una Como un cambio en la velocidad es una aceleración, se puede afirmar que aceleración, se puede afirmar que una una fuerza neta provoca una aceleraciónfuerza neta provoca una aceleración..

¿Cuál es la relación entre aceleración y ¿Cuál es la relación entre aceleración y fuerza?fuerza?

Consideremos la fuerza que se requiere Consideremos la fuerza que se requiere para empujar un auto cuando la fricción es para empujar un auto cuando la fricción es lo suficientemente pequeña para lo suficientemente pequeña para ignorarla.ignorarla.

• Si se empuja con una fuerza suave pero Si se empuja con una fuerza suave pero constante durante cierto tiempo, hará que constante durante cierto tiempo, hará que el auto acelere desde el reposo hasta el auto acelere desde el reposo hasta cierta rapidez, por ejemplo de 3.0 km/h cierta rapidez, por ejemplo de 3.0 km/h (0.83 m/s).(0.83 m/s).

• Si se empuja con el doble de fuerza, el Si se empuja con el doble de fuerza, el auto alcanzará 3.0 km/h en la mitad del auto alcanzará 3.0 km/h en la mitad del tiempo. La aceleración será el doble de tiempo. La aceleración será el doble de grande.grande.

• Si se triplica la fuerza, la aceleración se Si se triplica la fuerza, la aceleración se triplicará, y así sucesivamente. Así,triplicará, y así sucesivamente. Así,

“ “ la aceleración de un objeto es la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza directamente proporcional a la fuerza aplicada”aplicada”

a a αα FFnetaneta (1) (1)

• Pero la aceleración también depende Pero la aceleración también depende de la masa del objeto. Si se empuja de la masa del objeto. Si se empuja un carrito vacío del supermercado un carrito vacío del supermercado con la misma fuerza con la que se con la misma fuerza con la que se empuja uno que esté lleno con empuja uno que esté lleno con alimentos, se encuentra que el alimentos, se encuentra que el carrito lleno acelera más lentamente.carrito lleno acelera más lentamente.

““Cuanto mayor sea la masa, Cuanto mayor sea la masa, menor será la aceleración para la menor será la aceleración para la misma fuerza neta”misma fuerza neta”..

La relación matemática establece que la La relación matemática establece que la aceleración de un objeto es inversamente aceleración de un objeto es inversamente proporcional a su masaproporcional a su masa

a a αα 11 (2) (2)

mm

Estas relaciones son válidas y Estas relaciones son válidas y corresponden a la segunda ley de del corresponden a la segunda ley de del movimiento de Newton. movimiento de Newton.

““la aceleración de un objeto es la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, y es inversamente que actúa sobre él, y es inversamente proporcional a su masa”.proporcional a su masa”.

Combinando las relaciones (1) y (2) Combinando las relaciones (1) y (2) se tiene:se tiene:

a = Fa = Fnetaneta de aquí quede aquí que

mm

FFnetaneta = ma= ma

Toda fuerza F es un vector, con magnitud y Toda fuerza F es un vector, con magnitud y dirección. La ecuación (3) es una ecuación dirección. La ecuación (3) es una ecuación vectorial. En forma de componentes en vectorial. En forma de componentes en coordenadas rectangulares se escribe como:coordenadas rectangulares se escribe como:

ΣΣFFxx = ma = maxx ΣΣFFyy = ma = mayy ΣΣFFzz = ma = mazz

Si todo el movimiento ocurre a lo largo de Si todo el movimiento ocurre a lo largo de una línea recta escribimos simplemente:una línea recta escribimos simplemente:

ΣΣFF = ma= ma

UNIDADESUNIDADESLa unidad SI de fuerza es el newton La unidad SI de fuerza es el newton (N). De acuerdo con la definición(N). De acuerdo con la definición

FF = ma= ma

1.0 N = Kg . m/s1.0 N = Kg . m/s22

Esto significa que:Esto significa que:

““Una fuerza de 1 N da a una masa Una fuerza de 1 N da a una masa de un kilogramo una aceleración de un kilogramo una aceleración de 1 de 1 m/sm/s22””

En el sistema cgsEn el sistema cgs

1 dina = g . cm/s1 dina = g . cm/s22

““Una dina es la fuerza que al actuar sobre Una dina es la fuerza que al actuar sobre una masa de 1 gramo, produce una una masa de 1 gramo, produce una aceleración de 1 aceleración de 1 cm/scm/s22””

En el sistema inglésEn el sistema inglés

1 Lb = slug . pie/s1 Lb = slug . pie/s22

““Una libra es la fuerza que al actuar sobre Una libra es la fuerza que al actuar sobre una masa de un slug, produce una una masa de un slug, produce una aceleración de 1 aceleración de 1 pie/spie/s22””

Resumen de unidadesResumen de unidadesSISTEMASISTEMA MASAMASA ACELERACIÓNACELERACIÓN FUERZAFUERZA

SISI KgKg m/sm/s22 N = Kg . m/sN = Kg . m/s22

cgscgs gg cm/scm/s22 dina = g . cm/sdina = g . cm/s22

InglésInglés slugslug pie/spie/s22 Lb = slug . pie/sLb = slug . pie/s22

Equivalencias importantes:Equivalencias importantes:

1 N = 101 N = 1055 dinas dinas

1 N = 0.2248 Lb1 N = 0.2248 Lb

1 slug = 14.59 Kg1 slug = 14.59 Kg

Primera ley o ley de inercia

Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.

Segunda ley o Principio Fundamental de la Dinámica

La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.

Tercera ley o Principio de acción-reacción

Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.