Por supuesto, una fuerza no sólo sirve para empujar o tirar de objetos. De hecho, podemos realizar tres tipos de funciones con una fuerza.
- Cambiar laforma de un objeto: si, por ejemplo, doblas, estiras o comprimes un objeto, cambias su forma.
- Cambiarla velocidad de un objeto: si, al montar en bicicleta, aumentas el pedaleo o alguien te empuja por detrás, la velocidad de la bicicleta aumenta. Ejercer una fuerza mayor hace que la bicicleta acelere.
- Cambiar la dirección en la que se mueve un objeto: en un partido de críquet, cuando un bateador golpea la pelota, la fuerza ejercida por el bate hace que cambie la dirección de la pelota. En este caso, se utiliza una fuerza para cambiar la dirección de un objeto que ya está en movimiento.
¿Qué es la energía?
La energía es la capacidad de hacer trabajo, mientras que el trabajo es igual a la fuerza que se aplica para mover un objeto una cierta distancia en la dirección determinada por esa fuerza. Así pues, la energía es la cantidad de trabajo que esa fuerza aplica al objeto. Lo singular de la energía es que puede transformarse.
Conservación de la energía
La conservación de la energía establece que la energía sólo se transfiere de un estado a otro, de modo que la energía total de un sistema cerrado se conserva.
Por ejemplo, cuando un objeto cae, su energía potencial se convierte en energía cinética, pero la suma total de ambas energías (la energía mecánica del sistema) es la misma en cada instante de la caída.
¿Qué es un momento?
El efecto de giro o una fuerza producida alrededor de un pivote se denomina momento de una fuerza o par. Ejemplos de pivotes son las bisagras de una puerta que se abre o una tuerca girada por una llave inglesa. Tanto aflojar una tuerca apretada como abrir una puerta alrededor de una bisagra fija implican un momento.
Aunque se trata de un movimiento de rotación alrededor de un pivote fijo, también existen otros tipos de efectos de giro.
¿Cuáles son los tipos de momentos de una fuerza?
Además del aspecto rotatorio, también hay que tener en cuenta la dirección en la que se mueve el objeto. Por ejemplo, en el caso de un reloj analógico, todas sus agujas giran en el mismo sentido alrededor de un pivote fijo situado en su centro. El sentido, en este caso, es el de las agujas del reloj.
Momento en el sentido de las agujas del reloj
Cuando un momento o un efecto de giro de una fuerza en torno a un punto produce un movimiento en el sentido de las agujas del reloj, ese momento es horario. En los cálculos, tomamos un momento horario como negativo.
Momento antihorario
Del mismo modo, cuando un momento o un efecto de giro de una fuerza alrededor de un punto produce un movimiento en sentido contrario a las agujas del reloj, ese momento es antihorario. En los cálculos, tomamos un momento antihorario como positivo.
¿Cómo se calcula el momento de una fuerza?
El efecto de giro de una fuerza, también conocido como par, puede calcularse mediante la fórmula
\[T = r \cdot F \sin(\theta)\]
- T = par de torsión.
- r = distancia de la fuerza aplicada.
- F = fuerza aplicada.
- 𝜭 = ángulo entre F y el brazo de palanca.
En este diagrama actúan dos fuerzas:F1 y F2. Si queremos hallar el momento de la fuerzaF1 alrededor del punto de giro 2 (donde actúa la fuerza F2 ), éste puede calcularse multiplicandoF1 por la distancia del punto 1 al punto 2:
\text[\text{Momento de fuerza} = F_1 \cdot D\]
Sin embargo, para calcular el momento de la fuerza F2 alrededor del punto de giro 1 (donde actúa la fuerzaF1 ), tenemos que improvisar un poco. Echa un vistazo a la Figura 6 a continuación.
F2 no es perpendicular a la varilla. Por tanto, tenemos que encontrar la componente de la fuerza F2 que es perpendicular a la línea de acción de esta fuerza.
En este caso, la fórmula se convierte en F2 sin𝜭 (donde 𝜭 es el ángulo entre F2 y la horizontal). Por tanto, la fórmula para calcular el par en torno a la fuerza F2 es
\text{Momento de la fuerza} = F_2 \cdot \sin(\theta) \cdot D\]
El principio del momento
El principio del momento establece que, cuando un cuerpo está en equilibrio alrededor de un punto de giro, la suma del momento horario es igual a la suma del momento antihorario. Decimos que el objeto está en equilibrio y no se moverá a menos que cambie una de las fuerzas o cambie la distancia desde el pivote de cualquiera de las fuerzas. Observa la siguiente ilustración:
Calcula la distancia desde el pivote de la fuerza 250N que debe aplicarse para que el balancín esté equilibrado si la fuerza en el otro extremo del balancín es de 750N con una distancia de 2,4m desde el pivote.
La suma de los momentos en sentido horario = la suma de los momentos en sentido antihorario.
\[F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2\]
\[750 \cdot d_1 = 250 \cdot 2,4\]
\[d_1 = 7,2 \cdot m\]
Por tanto, la distancia de la fuerza 250 N tiene que ser de 7,2 m desde el pivote para que el balancín esté equilibrado.
¿Qué es un par?
En física, un momento de par son dos fuerzas paralelas iguales, que están en direcciones opuestas entre sí y a la misma distancia del punto de giro, que actúan sobre un objeto y producen un efecto de giro. Un ejemplo sería un conductor que gira el volante de su coche con ambas manos.
La característica que define a una pareja es que, aunque se produzca un efecto de giro, la fuerza resultante suma cero. Por tanto, no hay movimiento de traslación, sino sólo de rotación.
Para calcular el momento de una pareja, tenemos que multiplicar cualquiera de las fuerzas por la distancia que las separa. En el caso de nuestro ejemplo anterior, el cálculo es:
\[\text{Momento de un par} = F \cdot S\]
¿Cuál es la unidad de momento de una fuerza?
Como la unidad de una fuerza es el Newton y la unidad de la distancia el metro, la unidad del momento es el Newton por metro (Nm). Un momento, por tanto, es una magnitud vectorial, ya que tiene una magnitud y una dirección.
El momento de una fuerza de 10 N alrededor de un punto es de 3 Nm. Calcula la distancia de pivote desde la línea de acción de la fuerza.
\[\text{Momento de la fuerza} = \text{Fuerza} \cdot \text{Distancia}]
\(3 \space Nm = 10 \cdot r\)
\(r = 0,3 \space m\)
Fuerza Energía - Puntos clave
- Una fuerza es un empuje o una atracción sobre un objeto.
- Una fuerza puede cambiar la forma de un objeto, así como su velocidad y la dirección en la que se mueve.
- La conservación de la energía significa que la energía sólo se transfiere de un estado a otro, de modo que se conserva la energía total de un sistema cerrado.
- El efecto de giro o una fuerza producida alrededor de un pivote es el momento de una fuerza o par.
- Un momento puede ser en sentido horario o antihorario.
- El principio del momento establece que cuando un cuerpo está en equilibrio alrededor de un punto de giro, la suma del momento en el sentido de las agujas del reloj es igual a la suma del momento en sentido contrario.
- Un momento de par son dos fuerzas paralelas iguales, que están en direcciones opuestas entre sí y a la misma distancia del punto de giro, actuando sobre un objeto y produciendo un efecto de giro.
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