Fuerza: Conceptos Básicos

La fuerza es una acción que un cuerpo ejerce sobre otro. Para que exista una fuerza, es necesario que participen al menos dos cuerpos. Sus características principales son:

• Es una magnitud vectorial.
• Se mide en Newtons (N).

Las fuerzas pueden producir los siguientes efectos:

• Un cambio en el estado de movimiento o reposo de un objeto.
• Una deformación física del objeto.

Tipos de Fuerzas

Podemos clasificar las fuerzas en dos grandes grupos:

Fuerzas a Distancia

Son aquellas en las que dos cuerpos interactúan sin necesidad de estar en contacto. Ejemplos de este tipo de fuerzas son la fuerza entre imanes y la fuerza gravitacional.

Fuerzas por Contacto

Son aquellas que se producen debido al contacto físico entre dos o más superficies. Entre las fuerzas por contacto más comunes encontramos:

• Fuerza Peso: Es la fuerza que ejerce la Tierra sobre los cuerpos cercanos a su superficie. Siempre está dirigida hacia el centro de la Tierra. Se calcula como: P = m * g, donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleración de la gravedad.
• Normal: Es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo que se encuentra apoyado en ella. Es perpendicular a la superficie de contacto.
• Roce: Es una fuerza paralela a la superficie que se opone al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto. Se calcula como: Fr = N * μ, donde N es la fuerza normal y μ es el coeficiente de roce.
• Tensión: Es la fuerza que se ejerce a través de cuerdas, hilos o cables, transmitiéndose desde un extremo al otro.

Leyes de Newton

Primera Ley de Newton (Ley de Inercia)

En ausencia de la acción de fuerzas externas, un cuerpo en reposo continuará en reposo, y un cuerpo en movimiento se moverá en línea recta y con velocidad constante. La inercia es la tendencia natural de los cuerpos a mantenerse en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme (MRU). A mayor masa, mayor inercia.

Ejemplo: Un pasajero en la parte trasera de un vehículo que viaja a 60 km/h tenderá a seguir en línea recta cuando el vehículo gire. Se moverá de un lado a otro del asiento debido a la inercia, pero el roce con el asiento eventualmente detendrá su movimiento.

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

La aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la resultante de las fuerzas que actúan sobre él, y tiene la misma dirección y sentido que dicha resultante. Si un cuerpo está sometido a varias fuerzas (F1, F2, F3, etc.), es posible sustituir el sistema de fuerzas por una única fuerza resultante. La aceleración del cuerpo se calcula como si estuviera sometido a la acción de esa única fuerza resultante. La segunda ley de Newton es fundamental en la mecánica y se utiliza, por ejemplo, en el estudio del movimiento de los cuerpos celestes. El propio Isaac Newton la aplicó para estudiar el movimiento de los planetas, lo que constituyó una de las primeras confirmaciones de esta ley.

Ejemplo: Dos personas, A y B, empujan una mesa. A empuja hacia el este con mayor fuerza que B, quien empuja hacia el norte. La mesa se moverá en dirección noreste, pero con mayor inclinación hacia el este debido a la mayor fuerza ejercida por A. Matemáticamente, se expresa como: F = m * a.

Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción)

Cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, este reacciona sobre A con una fuerza de igual magnitud, igual dirección, pero sentido contrario. En la interacción entre dos cuerpos, las fuerzas siempre aparecen en pares. A cada acción de un cuerpo sobre otro, siempre corresponde una reacción igual y contraria de este sobre el primero. Estas fuerzas se denominan acción y reacción, y actúan sobre cuerpos diferentes.

Ejemplo: Un hombre empuja una mesa. El hombre ejerce una fuerza F1 sobre la mesa, y la mesa reacciona ejerciendo una fuerza F2 sobre el hombre. Si ambos tuvieran la misma masa y estuvieran sobre una superficie sin fricción, se moverían en sentidos opuestos con igual aceleración.

Vectores

Es fundamental distinguir entre vectores y escalares. Un vector es una cantidad orientada que tiene tanto magnitud como dirección. La velocidad, la fuerza y el desplazamiento son ejemplos de vectores. El tiempo, la temperatura y la energía son escalares, ya que solo tienen magnitud, sin una dirección asociada.

Elementos de un Vector

Todo vector posee los siguientes elementos:

1. Módulo o Intensidad: Representa el valor de la cantidad física vectorial. Está representado por la longitud del vector.
2. Dirección: Está representada por la recta que contiene al vector. Se define como el ángulo que forma el vector con una o más rectas de referencia.
3. Sentido: Indica la orientación del vector, representado gráficamente por la punta de la flecha.
4. Punto de Aplicación: Es el punto sobre el cual se considera que actúa el vector.

Ejemplo: Representar un vector F con una dirección de 30° y un módulo de 10 kgf.