Fuerzas aplicadas a cuerpos

Fuerza y dinámica de la partícula

Una fuerza es una acción tal que aplicada sobre un cuerpo modifica su velocidad (mediante una aceleración). La fuerza es una magnitud vectorial. En el sistema internacional se mide en Newton.

Fuerza resultante

Si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas se pueden sumar las mismas de forma vectorial (como suma de vectores) obteniendo una fuerza resultante, es decir equivalente a todas las demás. Si la resultante de fuerzas es igual a cero, el efecto es el mismo que si no hubiera fuerzas aplicadas: el cuerpo se mantiene en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme, es decir que no modifica su velocidad.

En la mayoría de los casos no tenemos las coordenadas de los vectores sino que tenemos su módulo y el ángulo con el que la fuerza está aplicada. Para sumar las fuerzas en este caso es necesario descomponerlas proyectándolas sobre los ejes y luego volver a componerlas en una resultante (composición y descomposición de fuerzas).

Fuerza equilibrante

Se llama fuerza equilibrante a una fuerza con mismo módulo y dirección que la resultante (en caso de que sea distinta de cero) pero de sentido contrario. Es la fuerza que equilibra el sistema. Sumando vectorialmente a todas las fuerzas (es decir a la resultante) con la equilibrante se obtiene cero, lo que significa que no hay fuerza neta aplicada.

Fuerza normal

La fuerza normal es aquella que ejerce una superficie como reacción a un cuerpo que ejerce una fuerza sobre ella.

Si la superficie es horizontal y no hay otra fuerza actuando que la modifique (como por ejemplo la tensión de una cuerda hacia arriba), la fuerza normal es igual al peso pero en sentido contrario. En este caso una fuerza horizontal empujando el cuerpo no modifica la normal.

En un plano inclinado la normal es una proyección del peso.

Generalizando, la fuerza normal es una fuerza de reacción de la superficie en sentido contrario a la fuerza ejercida sobre la misma.

La fuerza normal no es un par de reacción del peso, sino una reacción de la superficie a la fuerza que un cuerpo ejerce sobre ella.

Fuerza de rozamiento

Cuando deslizamos un cuerpo sobre una superficie aparece una fuerza de contacto que se opone a este movimiento, denominada fuerza de rozamiento. Lo mismo ocurre en otras circunstancias, por ejemplo con el aire. Las fuerzas de rozamiento se dividen en dos tipos, las estáticas y las dinámicas.

La fuerza de rozamiento estática determina la fuerza mínima necesaria para poner en movimiento un cuerpo. Si no hubiera rozamiento, una fuerza muy pequeña sobre un cuerpo apoyado en el piso ya pondría a éste en movimiento. Sin embargo existe un valor mínimo de fuerza a aplicar para que esto ocurra. Eso se debe a que existe una fuerza de rozamiento que se opone al inicio del movimiento. La fuerza de rozamiento estática es del mismo valor (pero de sentido contrario) que la fuerza que vayamos aplicamos para tratar de poner al cuerpo en movimiento, mientras éste no se mueva, es decir que no tiene un valor constante.

Leyes de Newton

Ley de Inercia (1ra ley)

Un cuerpo permanece en estado de reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si sobre él no actúan fuerzas o la suma de las mismas es cero.

Ley de la Dinámica (2da ley)

La segunda Ley de Newton dice que la aceleración de un cuerpo es proporcional a la resultante de fuerzas sobre el actuando y a su masa.

La ecuación para determinar estos valores es:

F = Fuerzam = Masa del cuerpoa = Aceleración

La masa se mide en kilogramos y es una constante propia de cada cuerpo que nos indica, en este caso, de qué manera varía la velocidad del cuerpo ante la aplicación de la fuerza. Hay que tener en cuenta que la unidad básica de masa es el Kilogramo (y no el gramo), por lo tanto para realizar las cuentas se debe pasar a kg.

Principio de Acción y Reacción (3ra ley)

Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, éste ejerce una fuerza de igual módulo y sentido contrario sobre la causa que produce esta fuerza.

Sistemas de fuerzas.Con frecuencia varias fuerzas actúan al mismo tiempo sobre un mismo cuerpo.

Cuando existe más de una fuerza tenemos lo que se denomina un Sistema de Fuerzas.

Cada una de las fuerzas actuantes recibe el nombre de componente del sistema.

Cuando varias fuerzas actúan sobre un mismo cuerpo, siempre es posible sustituirlas por una única fuerza capaz de producir el mismo efecto.

Esa única fuerza que reemplaza a todas se denomina fuerza Resultante o simplemente Resultante.

Se llama fuerza equilibrante la fuerza igual y contraria a la resultante.

La resultante de un sistema de fuerzas se puede representar en forma gráfica, pero también es posible calcular analíticamente (en forma matemática) su valor o módulo.

Básicamente existen 3 sistemas:

Sistemas de Fuerzas Colineales

Sistema de fuerzas que actúan en el mismo sentido.

La resultante de fuerzas que actúan en el mismo sentido es igual a la suma de las intensidades de las fuerzas actuantes y tiene el mismo sentido que ellas.

Las fuerzas están sobre la misma dirección. En este caso, tenemos dos situaciones:

Sistema de fuerzas que actúan en el mismo sentido.

Sistema de fuerzas que actúan en sentido contrario.

Sistemas de Fuerzas Paralelas

Como su nombre lo indica, son paralelas y existen métodos para calcular su Resultante.Pero si van al mismo sentido la Resultante sera la suma de ambas. Si van en sentido contrario será la resta entre ellas. Sin embargo lo que lleva más trabajo es encontrar el punto de aplicación.

Entonces, dependiendo del sentido, tenemos:

Sistema de fuerzas paralelas y en el mismo sentido.

Sistema de fuerzas paralelas de sentido contrario.

Sistema de Fuerzas Concurrentes angulares

Son aquellos sistemas en los cuales hay fuerzas con direcciones distintas pero que se cruzan en un punto determinado, ya sean sus vectores o sus prolongaciones.

Para hallar analíticamente (en forma matemática) la resultante hay que trabajar con las fórmulas de seno, coseno, tangente y el Teorema de Pitágoras.

Diagramas de cuerpo libre

Un diagrama de cuerpo libre muestra a un cuerpo aislado con todas las fuerzas (en forma de vectores) que actúan sobre él (incluidas, si las hay, el peso, la normal, el rozamiento, la tensión, etc.). No aparecen los pares de reacción, ya que los mismos están aplicados siempre en el otro cuerpo.