Fuerzas Externas

Lo básico: Definición de fuerza externa

Una fuerza aplicada sobre un objeto por otro objeto que no forma parte del sistema se conoce como fuerza externa. Para mayor claridad, considera que el objeto de estudio es un sistema.

Los objetos siempre reaccionan a estas fuerzas mediante la Segunda Ley del Movimiento de Newton, que puede resumirse con la siguiente fórmula:

Ahora que sabes lo que es una fuerza externa, vamos a entender cómo analizar su efecto sobre las estructuras.

Análisis de las fuerzas externas sobre las estructuras

Cuando las fuerzas externas actúan sobre una estructura, provocan tensiones y, posteriormente, deformaciones. La magnitud y la dirección de la fuerza, así como las propiedades de la estructura, determinan el alcance de esta deformación.

Las fuerzas externas pueden visualizarse en un diagrama de cuerpo libre, una herramienta utilizada en física para comprender todas las fuerzas que actúan sobre un objeto o estructura concretos. Las fuerzas suelen representarse como vectores que apuntan en la dirección en la que actúan.

Éstas son algunas de las fuerzas externas más comunes con las que te puedes encontrar en mecánica clásica:

• Fuerza gravitatoria
• Fuerza normal
• Resistencia del aire
• Tensión
• Fricción

Impacto de las fuerzas externas en diferentes tipos de estructuras

Los distintos tipos de estructuras reaccionan de forma diferente a las fuerzas externas. Este comportamiento se debe a sus propiedades estructurales únicas. Piensa en cómo reacciona una viga de madera en comparación con una viga de acero cuando se aplica la misma fuerza.

Profundizando: Relación entre fuerzas externas e internas

En física, comprender la interacción entre las fuerzas externas e internas es fundamental para analizar el comportamiento de objetos y estructuras. Profundicemos en la comprensión de estas interacciones.

Explorar la interacción entre fuerzas internas y externas

Ya has aprendido qué son las fuerzas externas, pero ¿qué son las fuerzas internas? Pues bien, son fuerzas que actúan dentro del objeto o sistema debido a la fuerza externa. Si, por ejemplo, aprietas las manos, la fuerza que ejerce tu mano derecha sobre la izquierda es una fuerza externa, pero las fuerzas que reaccionan dentro de tu mano (tensión muscular, compresión ósea) son fuerzas internas.

Las fuerzas externas e internas trabajan juntas en una interacción objeto-sistema. Tras la aplicación de una fuerza externa, las fuerzas internas responden para mantener el equilibrio o iniciar el movimiento, según la Primera Ley del Movimiento de Newton, que establece que se requieren fuerzas externas para modificar el movimiento de un objeto.

Las fuerzas internas distribuyen el efecto de una fuerza externa por toda la estructura de un objeto. Por ejemplo, si el cable de un ascensor ejerce una fuerza externa hacia arriba sobre el ascensor, las fuerzas internas distribuyen esta fuerza externa uniformemente por la cabina del ascensor para que suba suavemente. Esta distribución de fuerzas ayuda a eliminar las incoherencias y las deformaciones asimétricas.

Otro papel crucial de las fuerzas internas es resistir la deformación causada por las fuerzas externas, según la ley de Hooke.

Un gran ejemplo es el muelle. Las fuerzas internas del muelle contrarrestan las fuerzas externas que intentan comprimirlo o extenderlo, lo que lo convierte en un ejemplo de la ley de Hooke.

Contraste entre fuerzas externas e internas

Las fuerzasexternas y las fuerzas internas difieren significativamente, pero están interrelacionadas. Las fuerzas externas instigan la acción, mientras que las fuerzas internas resisten, transfieren o reaccionan a esa acción. Para aclararnos:

• A diferencia de las fuerzas externas, que proceden de la interacción con otros objetos, las fuerzas internas surgen de reacciones dentro del propio objeto o sistema.
• Mientras que las fuerzas externas instigan cambios de movimiento o estado, las fuerzas internas trabajan para mantener la estabilidad o contrarrestar dichos cambios.
• A diferencia de las fuerzas externas, las fuerzas internas siempre se producen en pares iguales y opuestos, como explica la Tercera Ley del Movimiento de Newton. Pero recuerda que las fuerzas externas no tienen por qué cumplir estas condiciones.

Cómo influyen las fuerzas externas en las internas

Entonces, ¿cómo influye la aplicación de una fuerza externa en las fuerzas internas? La respuesta es doble.

En primer lugar, cuando se aplica una fuerza externa, se desarrollan fuerzas internas en respuesta para evitar que el sistema se acelere infinitamente, según la Segunda Ley de Newton.

Por ejemplo, considera una torre de ladrillos. Si empujas (fuerza externa) contra la torre, los ladrillos individuales reajustan sus posiciones entre sí, creando un nuevo equilibrio de fuerzas internas. Estas respuestas internas resisten una mayor deformación y mantienen la estabilidad de la torre.

En segundo lugar, si la fuerza externa es lo suficientemente fuerte como para superar la resistencia de las fuerzas internas, se produce una deformación o un cambio de estado. El objeto puede fracturarse, romperse o cambiar sustancialmente de forma, dependiendo de las propiedades del material.

En pocas palabras, la interacción entre las fuerzas externas e internas rige la forma en que todo objeto o estructura reacciona a los cambios de su entorno o a las interacciones entre objetos. Comprenderlas es crucial para diversas disciplinas como la ingeniería, la arquitectura, la biomecánica ¡e incluso las artes!

Enfoque práctico: Ejemplos de fuerzas externas

Ahora que comprendemos bien la teoría de las fuerzas externas, vamos a adoptar un enfoque más práctico observando algunos ejemplos de fuerzas externas en el entorno del mundo real.

Ejemplos reales de fuerzas externas

Nuestra vida cotidiana está llena de ejemplos de fuerzas externas en acción, a menudo sin que ni siquiera las reconozcamos. Como estudiante de Física, aprender a identificar y analizar estas fuerzas no sólo te ayudará a comprender sus aspectos teóricos, sino también a aplicarlos en situaciones prácticas.

He aquí algunos ejemplos ilustrativos:

• Tirar o empujar: Cuando empujas una puerta para abrirla, o tiras de un cajón para abrirlo, estás ejerciendo una fuerza externa. La puerta o el cajón responden moviéndose en la dirección de la fuerza.
• La gravedad: Cuando dejas caer una manzana de un árbol, cae hacia el suelo. Esto es el resultado de la fuerza externa de la gravedad que actúa sobre la manzana. Observa que la aceleración de la manzana es constante en \(9,8 \, \text{m/s}^2\).
• Fricción: Intenta deslizar un libro por una mesa. Observarás que al final se detiene. Esto se debe a la fuerza externa de rozamiento que actúa entre el libro y la superficie de la mesa.
• Empuje hacia arriba: Cuando sumerges una pelota en un cubo de agua y la sueltas, sube a la superficie. Esto se debe a la fuerza externa de empuje ascendente (o flotabilidad) que ejerce el agua sobre la pelota.

Estudio de las fuerzas externas en Física a través de ejemplos

Veamos más detenidamente uno de los ejemplos y desglosémoslo para comprender cómo interactúa la fuerza externa con el objeto de interés.

Este ejemplo pone de relieve que comprender los efectos de las distintas fuerzas externas en acción puede ser vital para entender por qué los objetos se comportan como lo hacen.

Representación matemática: Fórmula de la fuerza externa

Para obtener una comprensión precisa y cuantificable de las fuerzas externas, nos basamos en fórmulas matemáticas. Como ya se ha establecido, la ecuación básica que representa los vectores de fuerza se deriva de la Segunda Ley del Movimiento de Newton:

Esta fórmula nos permite calcular las fuerzas externas que actúan sobre los objetos si conocemos la masa del objeto y la aceleración causada por la fuerza. Un análisis más sofisticado de las fuerzas externas podría implicar también funciones trigonométricas o cálculo si cambia la dirección de la fuerza.

Uso de fórmulas para calcular fuerzas externas

Veamos cómo podemos utilizar fórmulas para calcular fuerzas externas en un escenario del mundo real.

Utilizando fórmulas matemáticas como éstas, se pueden calcular las fuerzas externas en distintos escenarios, lo que ayuda a físicos e ingenieros en sus investigaciones y diseños, respectivamente.

Más investigación: La fuerza externa y su impacto en la física

Está claro que las fuerzas externas son un engranaje considerable en la vasta maquinaria de la Física. Sientan las bases para comprender el movimiento, los cambios de estado, el equilibrio y otros conceptos significativos. Con tu conocimiento fundamental del concepto, vamos a ampliar los límites para desentrañar las implicaciones y aplicaciones más profundas de las fuerzas externas en Física.

Cómo configuran la Física las fuerzas externas

La Física como campo estudia las propiedades, cambios e interacciones de la materia y la energía. En este espacio, las fuerzas externas sirven como agentes de cambio vitales. Son los peldaños para comprender el movimiento, examinar las transformaciones de la energía y establecer las leyes fundamentales que rigen nuestro mundo físico.

Las fuerzas externas son los catalizadores del cambio en cualquier sistema físico. Sin ellas, los objetos en reposo permanecerían en reposo, y los objetos en movimiento continuarían en su movimiento constante para siempre, un escenario previsto en la Primera Ley del movimiento de Newton.

Las fuerzas externas, por tanto, son esenciales para cambiar el estado de movimiento de un objeto o su estado físico de cualquier forma. Pueden aumentar o disminuir la velocidad, impartir rotación, deformar sustancias, incluso desgarrar partículas a nivel micro o subatómico (como en la fisión y la fusión).

Además, las fuerzas externas son fundamentales para comprender el concepto de energía. Por ejemplo, se realiza trabajo cuando una fuerza externa mueve un objeto, y la energía transferida durante este proceso se calcula como el producto de la fuerza y la distancia (Trabajo realizado = Fuerza × Distancia). Del mismo modo, el concepto de potencia, que es la tasa de realización de trabajo o de transferencia de energía, también depende de las fuerzas externas.

Además, las fuerzas externas proporcionan el marco del mundo real para manifestar las nociones matemáticas abstractas de los vectores. Puesto que la fuerza es una cantidad vectorial, que implica tanto magnitud como dirección, ilustrar las fuerzas gráficamente proporciona a los alumnos una firme comprensión de la suma, la resolución y el equilibrio de los vectores.

Más allá de la mecánica, la fuerza externa tiene implicaciones incluso en el dominio de la electricidad y el magnetismo, donde las fuerzas eléctricas y magnéticas guían el comportamiento de las partículas cargadas. En termodinámica, las fuerzas generan una presión que provoca cambios de volumen o de estado de la materia. En mecánica cuántica, las fuerzas fundamentales dictan las interacciones atómicas y subatómicas.

Dirigidas por estos catalizadores, las fuerzas externas dan forma a los principios fundacionales y a los matices de la Física, convirtiéndolas en un componente inseparable de la disciplina.

El papel de las fuerzas externas en la mecánica clásica

Profundizando en uno de los dominios más fundamentales de la Física la Mecánica Clásica, las fuerzas externas desempeñan un papel importante. Este estudio del movimiento de los objetos a menudo se basa en comprender cómo las fuerzas externas provocan cambios en el movimiento, tal y como se refleja en las Leyes del Movimiento de Newton.

La Primera Ley del Movimiento de Newton sienta las bases para nuestra comprensión de las fuerzas externas. Afirma el concepto de Inercia: la resistencia al cambio. Sin una fuerza externa que actúe sobre él, un objeto continuará en su estado de reposo o movimiento uniforme. Por tanto, la ausencia o presencia de una fuerza externa es lo que reina sobre el estado de un objeto.

LaSegunda Ley del Movimiento de Newton nos da la relación entre fuerza, masa y aceleración. Esto sitúa de nuevo a la fuerza externa en primer plano, como agente causante de cualquier cambio en el movimiento (aceleración). Cuanto mayor sea la fuerza externa aplicada, mayor será la magnitud de la aceleración producida y viceversa. Esta ley permite a los físicos calcular la fuerza externa necesaria en diversos escenarios, desde los que ocurren en el laboratorio de Física de tu instituto hasta los del espacio interestelar.

La Tercera Ley del Movimiento de Newton revela otra faceta de las fuerzas: la acción y la reacción. Cada fuerza externa tiene una fuerza igual y opuesta. Por eso, cuando saltas de un barco, el barco se mueve en sentido contrario.

Además, la mecánica clásica tiene ramas que dependen en gran medida del estudio de las fuerzas externas, como la estática (estudio de las fuerzas en equilibrio), la dinámica (fuerzas que provocan movimientos) y la cinemática (movimientos bajo el efecto de fuerzas).

Las fuerzas internas también son fundamentales en la Mecánica Clásica, pero suelen anularse entre sí considerando el conjunto del sistema de objetos, lo que deja a las fuerzas externas como las verdaderas instigadoras del cambio, razón por la cual en la mayoría de los problemas de Mecánica Clásica solemos ocuparnos principalmente de las fuerzas externas.

Por último, no olvidemos que muchos fenómenos cotidianos con los que te encuentras están gobernados por fuerzas externas, lo que convierte a la Mecánica Clásica en una realidad observable. Así que la próxima vez que des una patada a un balón o aparques el coche, ¡tómate un momento para pensar en las fuerzas externas que actúan!