1. La Fuerza: Una Interacción
Fuerza (se mide en Newtons) es toda causa capaz de provocar una deformación o un cambio en el estado de movimiento de un cuerpo. Una fuerza es el resultado de una interacción entre dos cuerpos: un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, o recibe la fuerza que otro ejerce sobre él.
Hay fuerzas que se ejercen entre cuerpos que están en contacto físico (patear un balón) y otras fuerzas a distancia (fuerza gravitatoria, fuerza electromagnética), en la que no existe contacto entre los cuerpos.
Las fuerzas son vectores: La fuerza puede hacerse verticalmente u horizontalmente, lo que nos dice que una fuerza no solo depende de su valor, sino de su dirección y sentido.
2. Las Fuerzas y las Deformaciones
Uno de los efectos de la fuerza es la de provocar deformaciones (efecto estático), pero no todos los objetos se deforman igual:
- Objetos rígidos: No se deforman por acción de una fuerza, pero pueden romperse si la fuerza supera el «límite de rotura».
- Objetos elásticos: Se deforman por la acción de una fuerza, pero recuperan la forma original cuando esta desaparece.
- Objetos plásticos: Se deforman y no recuperan su forma original, se quedan deformados para siempre.
Para determinar el tipo de objeto depende el tipo de materia y la fuerza que apliquemos. Si la fuerza es muy grande, puede que supere el «límite de elasticidad» y se quede deformado para siempre.
2.1 Ley de Hooke
La ley de Hooke explica que cuando se aplica una fuerza a un muelle, le provoca una deformación directamente proporcional al valor de esa fuerza.
F = k · Δl
La constante de proporcionalidad «k» se llama constante de elasticidad y es una característica del muelle. Se mide en N/m. Una vez conocemos la constante de elasticidad de un muelle podemos utilizarlo para determinar el valor de la fuerza que se aplica. Si se dibujase una gráfica con los datos de un muelle, se vería que los datos no son constantes, donde dejan de ser constantes se encuentra el límite de elasticidad del muelle.
2.2 El Dinamómetro
El dinamómetro se utiliza para medir fuerzas. En su interior hay un muelle calibrado, de forma que al estirarlo muestra el valor de la fuerza. Existen varios dinamómetros de distinto rango y precisión.
3. Operaciones con Fuerzas
Estamos acostumbrados a operar con magnitudes escalares, pero las fuerzas son magnitudes vectoriales, y para calcular con ellas necesitamos más que su intensidad.
Fuerza resultante (R) es aquella que produce el mismo efecto que otras varias. Realizar una operación con varias fuerzas es obtener su resultante.
3.1 Suma de Fuerzas Concurrentes con la Misma Dirección
Fuerzas concurrentes son aquellas cuyas direcciones se cortan en algún punto.
- La suma de dos fuerzas de misma dirección y sentido = suma de los módulos.
- Suma de fuerzas con diferente sentido y misma dirección = diferencia de los módulos.
3.2 Suma de Fuerzas Concurrentes con Distinta Dirección
Regla del paralelogramo
R = Raíz de (F1 al cuadrado + F2 al cuadrado)
3.3 Suma de Fuerzas Paralelas No Concurrentes
Fuerzas no concurrentes son aquellas cuyas direcciones no se cortan. Las fuerzas paralelas son fuerzas no concurrentes.
4. Cuerpos en Equilibrio
Un cuerpo está en equilibrio cuando no actúa ninguna fuerza sobre él, o bien cuando actúan varias fuerzas concurrentes de forma que la resultante de todas ellas es 0.
ΣF = 0
5. Las Fuerzas como Causa de Movimiento
En el siglo IV a.c., el filósofo griego Aristóteles (384-322 a.c.) reflexionó acerca del movimiento y llegó a las siguientes conclusiones:
- El estado natural de los cuerpos es reposo y todo cuerpo que se mueve es movido por otro cuerpo.
Estas afirmaciones son consecuencia directa de la observación de movimientos. Si queremos que un cuerpo en reposo se mueva, debemos ejercer una fuerza sobre él. El cuerpo que se mueve acabará parándose si no le aplicamos una fuerza de forma continua.
En el siglo XVII el científico italiano Galileo Galilei (1564-1642) contrastó las ideas de Aristóteles:
- Si un cuerpo sube por un plano inclinado, su velocidad disminuye, si baja, esta aumenta, y si va por un plano horizontal, esta debería ser constante, pero la fuerza de rozamiento lo impide.
Isaac Newton (1642-1727) completó el trabajo iniciado por Galileo. Expresó sus conclusiones en tres principios, denominados principios de la dinámica.
5.1 Primer Principio de la Dinámica
«Cuando la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es cero, el cuerpo mantiene su estado de movimiento: si estaba en reposo, continúa en reposo; y si estaba en movimiento, seguirá moviéndose con MRU»
5.2 Segundo Principio de la Dinámica
«Principio fundamental de la dinámica»
«Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza le provoca una aceleración de la misma dirección y sentido que la fuerza, de forma que: F = m · a.»
Un newton es la fuerza que al actuar sobre un cuerpo de un kilo le comunica una aceleración de 1 m/s2
La fuerza peso: El peso (P) de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae. Cuando un cuerpo cae por acción de su propio peso, se mueve con la aceleración de la gravedad. P = m · g.
5.3 Tercer Principio de la Dinámica
Principio de acción y reacción
«Cuando un cuerpo ejerce sobre otro una fuerza llamada acción, el segundo responde con una fuerza igual y de sentido contrario denominada reacción. Las fuerzas aparecen por parejas (interacción)»
Fuerza normal: Fuerza de reacción de un plano sobre un cuerpo que está apoyado en él. Es una fuerza perpendicular al plano y de sentido opuesto al del apoyo.