Fuerza y Movimiento

Fuerzas y propiedades del movimiento

Es muy importante tener en cuenta que la velocidad y las fuerzas son vectores. Esto significa que necesitamos especificar su magnitud y dirección para definirlas.

Consideremos un ejemplo en el que podemos ver la importancia de la naturaleza vectorial de la velocidad para hablar del estado de movimiento de un objeto.

Una fuerza también es una magnitud vectorial, por lo que no tiene sentido hablar de fuerzas y movimiento si no especificamos su dirección y magnitud. Pero antes de entrar en esto con más detalle, hablemos de las unidades de fuerza. Las unidades SI de fuerza son los newtons. Un newton puede definirse como una fuerza que produce una aceleración de un metro por segundo al cuadrado en un objeto con una masa de un kilogramo.

Las fuerzas se suelen representar con el símbolo. Podemos tener muchas fuerzas actuando sobre el mismo objeto, así que a continuación hablaremos de los aspectos básicos de la gestión de fuerzas múltiples.

Conceptos básicos de fuerza y movimiento

Como veremos más adelante, las fuerzas determinan el movimiento de los objetos. Por tanto, para predecir el movimiento de un objeto, es muy importante saber cómo tratar con fuerzas múltiples. Como fuerzas son magnitudes vectoriales, pueden sumarse sumando sus magnitudes en función de sus direcciones. La suma de un grupo de fuerzas se denomina fuerza resultante o neta.

Al hablar de sumas de fuerzas, conviene introducir qué son las fuerzas desequilibradas y equilibradas.

Como las fuerzas se anulan entre sí, esto equivale a no tener ninguna fuerza actuando sobre el objeto.

Verás por qué es importante hacer esta distinción en los apartados posteriores. Ahora vamos a seguir examinando la relación entre las fuerzas y el movimiento a través de las leyes de Newton.

Relación entre fuerzas y movimiento: Las leyes del movimiento de Newton

Hemos mencionado anteriormente que las fuerzas pueden cambiar el estado de movimiento de un objeto, pero no hemos dicho exactamente cómo ocurre esto. Sir Isaac Newton formuló tres leyes fundamentales del movimiento que describen la relación entre el movimiento de un objeto y las fuerzas que actúan sobre él.

Primera ley del movimiento de Newton: Ley de la inercia

Esto está estrechamente relacionado con una propiedad inherente a todo objeto con masa, llamada inercia.

Veamos un ejemplo de la Primera Ley de Newton en la vida real.

Fig. 2 - La inercia hace que sigas moviéndote cuando un coche se para de repente

Pero, ¿qué ocurre con un objeto originalmente en reposo? ¿Qué puede decirnos en ese caso el principio de inercia? Veamos otro ejemplo.

A partir del ejemplo anterior, vemos que es necesaria una fuerza desequilibrada para producir el movimiento o cambiarlo. Ten en cuenta que las fuerzas equilibradas equivalen a no tener ninguna fuerza actuando. No importa cuántas fuerzas actúen. Si están equilibradas, no afectarán al estado de movimiento del sistema. Pero, ¿cómo afecta exactamente una fuerza desequilibrada al movimiento de un objeto? ¿Podemos medirlo? Pues bien, la segunda ley del movimiento de Newton trata de esto.

Segunda ley del movimiento de Newton: Ley de la masa y la aceleración

Fig. 5 - La aceleración producida por una fuerza es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del objeto

La imagen anterior ilustra la Segunda Ley de Newton. Puesto que la aceleración producida es directamente proporcional a la fuerza aplicada, duplicar la fuerza aplicada a la misma masa hace que la aceleración también se duplique, como se muestra en (b). Por otra parte, como la aceleración también es inversamente proporcional a la masa del objeto, duplicar la masa aplicando la misma fuerza hace que la aceleración se reduzca a la mitad, como se muestra en (c).

Fórmula de la fuerza y el movimiento

La segunda ley de Newton puede representarse matemáticamente como sigue:

Ten en cuenta que si actúan varias fuerzas sobre el cuerpo, tenemos que sumarlas para hallar la fuerza resultante y, a continuación, la aceleración del objeto.

La segunda ley de Newton también se escribe muy a menudo como. Esta ecuación establece que la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es el producto de su masa y su aceleración. La aceleración será en la dirección de la fuerza que actúa sobre el cuerpo. Podemos ver que la masa que aparece en la ecuación determina cuánta fuerza se necesita para provocar una determinada aceleración. En otras palabras, la masa nos dice lo fácil o difícil que es acelerar un objeto. Puesto que la inercia es la propiedad de un cuerpo de resistirse a un cambio en su movimiento, la masa está relacionada con la inercia , y de alguna manera es una medida de ésta. Por eso la masa que aparece en la ecuación se conoce como masa inercial.

Ya estamos preparados para la última Ley del Movimiento.

La Tercera Ley del Movimiento de Newton: Ley de acción y reacción

Ejemplos de fuerza y movimiento

Ya hemos visto algunos ejemplos que muestran cómo se relacionan la fuerza y el movimiento al introducir las leyes de Newton. En esta última sección, veremos algunos ejemplos de fuerza y movimientoen la vida cotidiana.

Es muy intuitivo pensar que algo en reposo se mantendrá en reposo a menos que actúe sobre él una fuerza. Pero recuerda que la Primera Ley de Newton también dice que un objeto en movimiento permanece en el mismo estado de movimiento -misma velocidad y misma dirección- a menos que una fuerza lo cambie. Piensa en un asteroide que se desplaza por el espacio. Como no hay aire que lo detenga, sigue moviéndose a la misma velocidad y en la misma dirección.

Y como se mencionó al principio del artículo, un cohete es un gran ejemplo de la tercera ley de Newton, donde los gases expulsados tienen una fuerza de reacción sobre el cohete, produciendo un empuje.

Fig. 8 - Los gases expulsados por el cohete y el empuje son un ejemplo de un par de fuerzas de acción-reacción