Fuerza y Movimiento

Concepto de Fuerza

La fuerza es una magnitud vectorial que se define como la causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación en él. Los efectos de las fuerzas pueden ser:

• Poner en movimiento un cuerpo que estaba en reposo.
• Modificar la velocidad de un cuerpo en movimiento.
• Provocar una deformación en un cuerpo.

Ley de Hooke

La Ley de Hooke establece que la deformación de un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza que la produce. Se expresa matemáticamente como:

F = k · Δl

Donde:

• F es la fuerza aplicada.
• k es la constante elástica del material.
• Δl es el alargamiento o la deformación del cuerpo.

La Fuerza como Vector

Al ser una magnitud vectorial, la fuerza se caracteriza por los siguientes elementos:

• Punto de aplicación: Lugar del cuerpo donde se aplica la fuerza.
• Módulo: Valor numérico de la fuerza expresado en newtons (N).
• Dirección: Dada por la recta que soporta el vector.
• Sentido: Indicado por la punta de la flecha del vector.

Fuerza Resultante

La fuerza resultante es aquella que puede reemplazar a todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo produciendo el mismo efecto. Se obtiene mediante la suma vectorial de las fuerzas individuales.

Composición de Fuerzas

Existen diferentes casos de composición de fuerzas, dependiendo de su dirección y sentido:

• 1º Caso: Fuerzas con la misma dirección y sentido: La fuerza resultante (R) es la suma de los módulos de las fuerzas individuales. La dirección y el sentido de R son los mismos que los de las fuerzas individuales.
• 2º Caso: Fuerzas con la misma dirección y sentidos opuestos: La fuerza resultante (R) es la diferencia entre los módulos de las fuerzas individuales. El sentido de R es el de la fuerza de mayor módulo.
• 3º Caso: Fuerzas con distinta dirección y sentido, pero concurrentes: La fuerza resultante (R) se obtiene mediante la regla del paralelogramo o la suma vectorial.

Composición de dos fuerzas paralelas con distinto punto de aplicación:

• 1º Caso: Fuerzas con la misma dirección y sentido: Se procede mediante un método gráfico para encontrar el punto de aplicación y el módulo de la fuerza resultante.
• 2º Caso: Fuerzas con la misma dirección y sentidos opuestos: Se procede de manera similar al caso anterior para encontrar el punto de aplicación y el módulo de la fuerza resultante.

Principios de la Dinámica: Leyes de Newton

Concepto de Fuerza en Dinámica

En dinámica, la fuerza se entiende como el resultado de la interacción entre dos cuerpos.

Dinámica

La dinámica es la parte de la física que estudia las causas que producen el movimiento de los cuerpos.

Leyes de Newton

Las leyes de Newton son tres principios fundamentales que describen el movimiento de los cuerpos:

1ª Ley de Newton: Ley de la Inercia

Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo y uniforme mientras no actúe sobre él una fuerza neta. La inercia es la tendencia de un cuerpo a mantener su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme.

2ª Ley de Newton: Principio Fundamental de la Dinámica

La fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de su masa por su aceleración. Se expresa matemáticamente como:

F = m · a

Donde:

• F es la fuerza neta.
• m es la masa del cuerpo.
• a es la aceleración del cuerpo.

Consecuencias:

• El vector fuerza (F) y el vector aceleración (a) siempre tienen la misma dirección y sentido, pero no tienen por qué coincidir con el sentido de la velocidad.

Unidades:

• Un newton (N) es la fuerza necesaria para comunicar a un kilogramo de masa una aceleración de 1 m/s².

3ª Ley de Newton: Ley de Acción y Reacción

Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), este último ejerce una fuerza sobre el primero de igual magnitud y dirección, pero de sentido contrario (reacción).

Consecuencias:

• Las fuerzas siempre actúan por pares.
• Las fuerzas de acción y reacción no se anulan porque están aplicadas sobre cuerpos distintos.

Fuerzas Especiales

Fuerza de Rozamiento (Fr)

La fuerza de rozamiento se produce cuando un cuerpo está en contacto con otro y se intenta moverlo. Sus características son:

1. Siempre se opone al movimiento del cuerpo (sentido contrario al del movimiento).
2. Es independiente del área de las superficies en contacto.
3. Depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto y del grado de pulimentación.
4. El módulo de la fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal (N), que es la reacción de la superficie de apoyo.

Fr = μ · N

Donde:

• μ es el coeficiente de rozamiento.

Fuerza Centrípeta (Fc)

La fuerza centrípeta es la fuerza responsable de la aceleración centrípeta, que es la aceleración que experimenta un cuerpo que se mueve en una trayectoria circular. Actúa en dirección radial hacia el centro de la circunferencia.

Fc = m · ac = m · v² / r

Donde:

• m es la masa del cuerpo.
• ac es la aceleración centrípeta.
• v es la velocidad del cuerpo.
• r es el radio de la circunferencia.

Siempre que haya una fuerza centrípeta, tiene que haber una aceleración centrípeta.

Leyes de Kepler y Gravitación Universal

Leyes de Kepler

Las leyes de Kepler describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol:

1. 1ª Ley: Ley de las Órbitas: Los planetas se mueven en órbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos.
2. 2ª Ley: Ley de las Áreas: Una línea recta trazada desde el Sol hasta un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales.
3. 3ª Ley: Ley de los Períodos: El cuadrado del período orbital de un planeta es proporcional al cubo del semieje mayor de su órbita.

Ley de la Gravitación Universal

Newton dedujo la ley de la gravitación universal a partir de las leyes de Kepler. Esta ley establece que la fuerza con la que se atraen dos cuerpos con masa es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

F = G · m₁ · m₂ / r²

Donde:

• F es la fuerza de atracción gravitatoria.
• G es la constante de gravitación universal.
• m₁ y m₂ son las masas de los dos cuerpos.
• r es la distancia entre los centros de los dos cuerpos.

Fuerzas en los Fluidos

Presión

La presión es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie. Se expresa matemáticamente como:

P = F / S

También se puede calcular como:

P = ρ · g · h

Donde:

• ρ es la densidad del fluido.
• g es la aceleración debida a la gravedad.
• h es la profundidad.

Principio Fundamental de la Hidrostática

La diferencia de presión entre dos puntos de un líquido homogéneo en equilibrio es igual al producto de la densidad del fluido por la aceleración de la gravedad por la diferencia de alturas.

Pb – Pa = ρ · g · (hb – ha)

Principio de Pascal

La presión ejercida en un punto de un fluido se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido y en todas las direcciones.

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desalojado.

Empuje = Peso del fluido desalojado = Vsumergido · ρfluido · g

Flotabilidad:

• Si el peso del cuerpo es igual o menor que el empuje, el cuerpo flota.
• Si el peso del cuerpo es mayor que el empuje, el cuerpo se hunde.