9 may 2020

[A303] Fuerzas en la Dinámica

¿Qué es una fuerza? Ensaye o recuerde una definición sobre el tema.
¿Qué efecto tienen las fuerzas sobre los cuerpos? ¿Tienen más de un efecto?
¿La observación de que fenómeno permite inferir que hay una fuerza actuando?

Intuitivamente experimentamos una fuerza como cualquier empuje sobre un objeto, por ejemplo cuando empujamos un carrito de supermercado, cuando un motor levanta un ascensor, cuando un martillo golpea un clavo. En todos los casos se está ejerciendo una fuerza (que en estos casos llamaremos de contacto). Para sacar un objeto del reposo también hace falta una fuerza, lo mismo que para detenerlo o cambiarle la dirección o la velocidad, en otras palabras para acelerar un cuerpo siempre hace falta una fuerza (Giancoli, 2008). Por otro lado si una fuerza comienza a actuar sobre un cuerpo y algo impide el movimiento, entonces el cuerpo se deformará. Estas observaciones nos permiten ensayar una definición:

Fuerza es toda acción capaz de modificar el estado de reposo o movimiento que posee un cuerpo, o de provocarle una deformación.

Al empujar un objeto con la mano o patear una pelota efectivamente ejercemos una fuerza sobre ellos, pero este tipo de fuerzas no es constante. Un buen ejemplo se puede observar cuando le damos un pisotón a una balanza, la aguja no se queda quieta todo el tiempo que duró el pisotón, sino que va a llegar a un valor máximo y luego va a descender. Esto indica que la fuerza aplicada sobre la balanza es variable (su valor cambia durante el lapso de tiempo que estuvo aplicada).
Si bien el tema es físicamente mucho más complejo, y no solo por la variabilidad comentada, en las aplicaciones que veremos en este Módulo vamos a trabajar con fuerzas constantes (aunque en la vida real algunas no lo sean), y fundamentalmente con: peso, tensión, normal, rozamiento y fuerzas externas.

Peso de los cuerpos
Fuerza con que la tierra atrae a los cuerpos. Se considera “g” constante e igual a 9,81 m/seg2, ya que en las proximidades de la superficie terrestre la distancia entre el cuerpo y la Tierra se puede aproximar al radio de la misma (con la Ley de Gravitación Universal).

FPeso = m.g           ó           Peso = m.g


donde:   
FPeso = fuerza peso [N]     
m = masa de la partícula [Kg]
g = aceleración de la gravedad [9,81 m/seg2]


Responder antes de continuar ¿cómo se mide el peso de un cuerpo?

Con un dinamómetro (resorte graduado del cual se cuelga el cuerpo que se quiere pesar), o se cuantifica mediante la ecuación recién indicada.
El kilogramo fuerza (unidad de fuerza en el Sistema Técnico) representa el peso de una masa de 1 kg (unidad de masa del Sistema Internacional) en la superficie terrestre. Esta circunstancia ha dado lugar a cierto desconcierto que parte de la confusión inicial entre los conceptos de peso y masa. Recordar que: 1 Kgf = 9,81 N.

Responder antes de continuar ¿dónde tiene mayor peso un cuerpo, en la Tierra o en la Luna?; ¿un cuerpo que en la Tierra tiene un peso de 8 Kgf, qué masa tiene en la Luna? y ¿la relación entre peso y masa deriva de la Ley de Gravitación Universal?

Ejemplo: ¿Un misil en movimiento posee fuerza? No, una fuerza no es algo que tenga un objeto, pero es parte de una interacción entre dos objetos. En cambio la masa es una característica del cuerpo.
Un misil fue puesto en movimiento por una fuerza, y tiene la capacidad de ejercer una fuerza sobre otro objeto si interacciona con él, pero no posee fuerza en sí mismo (Adaptado de Hewitt, 2007:76).

Tensión
En nuestros análisis vamos a considerar cuerpos (no deformables, no elásticos) que transmiten el movimiento (o la fuerza), como una soga, cadena o cable del que cuelga algún objeto; una lanza (barra metálica rígida) entre un camión y su acoplado, etc.

Fuerzas externas
Fuerzas que realizan otros cuerpos o sistemas sobre el cuerpo o sistema analizado.

Unidades de fuerza
En el Sistema Internacional (SI) la unidad de fuerza es derivada de otras magnitudes fundamentales, mientras que en el Sistema Técnico (ST) la unidad de fuerza es una unidad fundamental.
Responder antes de continuar ¿por qué decimos que la unidad de fuerza es una unidad derivada?

Como ya dijimos en [A001] muchas de las magnitudes medibles están relacionadas entre sí por leyes físicas, y por ello las unidades de algunas magnitudes pueden ser expresadas como fórmulas donde intervienen otras unidades (ej. la velocidad se mide en distancia dividida por tiempo), o como en el caso del “Peso de los cuerpos” que vimos recién, donde la unidad de peso será el producto de la unidad de masa por la unidad de aceleración:

[Peso] = [masa] . [aceleración]  →  [Kg.m/seg2] = [Kg] . [m/seg2]

En Física cuando algunas unidades son más importantes que el resto, o tienen mucha frecuencia de uso, reciben un nombre particular, como en este caso que a la unidad derivada Kg.m/seg2 se la llama “newton” (en minúscula porque es una unidad, no un apellido, aunque el símbolo de la unidad sea N). Aún a través de otras fórmulas, como en los casos de fuerzas elásticas o fuerzas de rozamiento, también llegaremos a la misma unidad (newton). Resumiendo:

SI: Unidad de fuerza → newton                   → N = Kg.m/seg2
ST: Unidad de fuerza → Kilogramofuerza   → Kgf

En el Sistema Técnico, al ser la fuerza una unidad fundamental, la masa será una unidad derivada, se define como “unidad técnica de masa” (utm) y representa la masa de un cuerpo que adquiere la aceleración de 1 m/seg² cuando se le aplica una fuerza de un kilogramofuerza (esto también está relacionado con la 2° Ley de Newton que veremos luego).

Nota 1: la fuerza Normal se tratará específicamente en [A305] y la fuerza Rozamiento en [A340], [A341] y [A342].
Nota 2: el presente artículo es solo una introducción a los fines de poder resolver algunos ejercicios, para completar el tema Fuerza habría que realizar distintas clasificaciones identificando para cada tipo de fuerza su correspondiente expresión de cálculo, como por ejemplo la fuerza elástica, etc.
Nota 3: los enlaces faltantes se irán habilitando a medida que se generen los artículos.

Leer también:

Fuentes:
Bauer; Westfall (2011). Física para ingeniería y ciencias Vol. 1.
Giancoli (2006). Física Vol. 1. Ed. 6°.
Hewit (2007). Física conceptual. Ed. 10°.

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