FUERZA
CONCEPTO DE FUERZA
La fuerza es un
concepto difícil de definir, pero muy conocido. Sin que nos digan lo que es la
fuerza podemos intuir su significado a través de la experiencia diaria.
Una fuerza es algo
que cuando actúa sobre un cuerpo, de cierta masa, le provoca un efecto.
Por ejemplo, al
levantar pesas, al golpear una pelota con la cabeza o con el pie, al empujar
algún cuerpo sólido, al tirar una locomotora de los vagones, al realizar un
esfuerzo muscular al empujar algo, etcétera siempre hay un efecto.
El efecto de la
aplicación de una fuerza sobre un objeto puede ser:
• modificación
del estado de movimiento en que se encuentra el objeto que la recibe
• modificación
de su aspecto físico
También pueden
ocurrir los dos efectos en forma simultánea. Como sucede, por ejemplo, cuando
alguien patea una lata de bebida: la lata puede adquirir movimiento y también
puede deformarse.
De lo anterior podemos concluir que:
La fuerza es aquella acción capaz
de provocar un cambio de forma, tamaño o posición (pasar del movimiento al
reposo o del reposo al movimiento) en otro cuerpo (se dice que hay una interacción).
Ejemplos:
— un
objeto empuja a otro: un hombre levanta pesas sobre su cabeza
— un
objeto atrae a otro: el Sol atrae a la Tierra
— un
objeto repele a otro: un imán repele a otro imán
— un
objeto impulsa a otro: un jugador de fútbol impulsa la pelota con un cabezazo
— un
objeto frena a otro: un ancla impide que un barco se aleje.
FUERZA = A INTERACCIÓN ENTRE OBJETOS.
Como ya lo
mencionamos, aplicar una fuerza implica que se establezca una interacción entre
dos cuerpos, esto significa que:
• Debe haber dos cuerpos uno que atrae y otro que es atraído, uno que
impulsa y otro que es impulsado, uno que empuja y otro que es empujado, etc.
• Un cuerpo no puede ejercer fuerza
sobre sí mismo. Si se necesita que actúe una fuerza sobre mi persona,
tendré que buscar algún otro cuerpo que ejerza una fuerza, porque no existe
ninguna forma de que un objeto ejerza fuerza sobre sí mismo (yo no puedo
empujarme, una pelota no puede "patearse" a sí misma).
• La fuerza siempre es ejercida en una
determinada dirección: puede ser hacia arriba o hacia abajo, hacia
adelante, hacia la izquierda, formando un ángulo dado con la horizontal, etc.
CLASIFICACIÓN DE LAS FUERZAS
Las fuerzas se pueden clasificar de acuerdo a
algunos criterios: según su punto de aplicación y según el tiempo que dure
dicha aplicación.
Según su punto de aplicación:
a) Fuerzas de contacto: son aquellas en que el cuerpo que ejerce la fuerza está en contacto
directo con el cuerpo que la recibe.
Un golpe de cabeza a la pelota, sujetar algo,
tirar algo, etc.
b) Fuerzas a distancia: el cuerpo que ejerce la fuerza y quien la
recibe no entran en contacto físicamente.
El ejemplo más familiar de una fuerza de este
tipo es la atracción gravitatoria terrestre, responsable de que todos los
cuerpos caigan hacia el suelo. Otro ejemplo es la fuerza que un imán ejerce
sobre otro imán o sobre un clavo.
a a) Fuerzas impulsivas: son, generalmente, de muy corta duración, por ejemplo: un golpe de
raqueta.
b) Fuerzas
de larga duración: son las que
actúan durante un tiempo comparable o mayor
Por ejemplo, el peso de una persona es una
fuerza que la Tierra ejerce siempre sobre la persona. La fuerza que ejerce un
cable que sostiene una lámpara, durará todo el tiempo que la lámpara esté
colgando de ese cable. La fuerza que ejerce el cable sobre un teleférico durará
mientras ahí esté.
UNIDADES DE FUERZA
El primer paso para poder cuantificar una magnitud
física es establecer una unidad para medirla.
En el Sistema Internacional (SI) de
unidades la fuerza se mide en newtons (símbolo: N), en el CGS en dinas
(símbolo, dyn) y en el sistema técnico en kilopondio (símbolo: kp),
siendo un kilopondio lo que comúnmente se llama un kilogramo, un kilogramo
fuerza o simplemente un kilo.
Un newton
es la fuerza que, al ser aplicada a un cuerpo de masa 1 Kilogramo, le
comunica una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado.
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¿CÓMO REPRESENTAR UNA FUERZA?
Una fuerza es una cantidad vectorial, y por ello
para representarla se emplean vectores pero, ¿Qué significa esto?
Un vector tiene tres componentes:
— un valor, que viene dado
por un número y una unidad de medida (25 Newton, por ejemplo).
— una dirección, que vendría
a ser la línea de acción de la fuerza (dirección vertical, por ejemplo).
— un sentido, que vendría a
ser la orientación, el hacia dónde se dirige la fuerza (hacia arriba, por
ejemplo)
Gráficamente un vector es una flecha en la
dirección correspondiente.
Cuando graficamos una fuerza que actúa
sobre un cuerpo, se dibuja con una flecha partiendo desde el centro del
cuerpo que la recibe.
Con frecuencia varias fuerzas actúan al mismo
tiempo sobre un mismo cuerpo.
Cuando existe más de una fuerza tenemos lo que
se denomina un Sistema de Fuerzas.
Cada una de las fuerzas actuantes recibe el
nombre de componente del sistema.
Cuando varias fuerzas actúan sobre un mismo
cuerpo, siempre es posible sustituirlas por una única fuerza capaz de producir
el mismo efecto.
Esa única fuerza que reemplaza a todas se
denomina fuerza Resultante o simplemente Resultante.
Se llama fuerza equilibrante la fuerza
igual y contraria a la resultante.
La resultante de un sistema de fuerzas se puede
representar en forma gráfica, pero también es posible calcular
analíticamente (en forma matemática) su valor o módulo.
Representación gráfica de una fuerza Resultante
1) A partir del extremo de la primera fuerza, se
representa (se copia o se dibuja) la segunda fuerza con su intensidad,
dirección y sentido.
2) El vector que une el origen de la primera
fuerza con el final de la segunda fuerza representa, en intensidad, dirección y
sentido, la resultante del sistema.
Básicamente existen 3 sistemas:
Las fuerzas están sobre la misma dirección. En
este caso, tenemos dos situaciones:
Sistema de fuerzas que actúan en el mismo
sentido.
Sistema de fuerzas que actúan en sentido
contrario.
Como su nombre lo indica, son paralelas y
existen métodos para calcular su Resultante.
Pero si van al mismo sentido la Resultante sera
la suma de ambas. Si van en sentido contrario será la resta entre ellas. Sin
embargo lo que lleva más trabajo es encontrar el punto de aplicación.
Entonces, dependiendo del sentido, tenemos:
Sistema de fuerzas paralelas y en el mismo
sentido.
Sistema de fuerzas paralelas de sentido
contrario.
c) Sistema de Fuerzas Concurrentes angulares
Son aquellos sistemas en los cuales hay fuerzas
con direcciones distintas pero que se
Para hallar analíticamente (en forma matemática)
la resultante hay que trabajar con las fórmulas de seno, coseno,
tangente y el Teorema de Pitágoras.
SUMA DE FUERZAS
Las fuerzas se pueden sumar y restar. No tiene
sentido físico el multiplicarlas o dividirlas.
Si sumas dos fuerzas que van en la misma
dirección y en el mismo sentido, entonces la suma es la suma aritmética de
ellas. Si sus valores son 40 Newton y 30 Newton, el resultado sería 70 Newton
en la dirección y sentido común que tienen.
Si sumas dos fuerzas que van en la misma dirección pero sentidos distintos (una
a la derecha y la otra a la izquierda, por ejemplo) entonces la suma es la
diferencia entre ellas (resta), con la misma dirección pero el sentido de la
fuerza mayor. Si sus valores son 40 Newton a la derecha y 30 Newton a la
izquierda, entonces la suma sería 10 Newton a la derecha.
Si sumas dos fuerzas que van en la misma dirección pero sentidos opuestos y
resulta que las dos fuerzas tienen el mismo valor numérico, entonces la suma de
ellas dará como resultado el valor 0. En este caso se puede decir que las
fuerzas se anulan.
Pero ojo: las dos fuerzas deben estar actuando
sobre el mismo cuerpo, de lo contrario no se pueden anular, incluso no podrían
sumarse.
Si las fuerzas que se van a sumar no tienen la
misma dirección tenemos dos opciones:
Suma gráfica
A través del método del triángulo, polígono o paralelogramo.
Cálculo matemático
En el caso de que el ángulo formado por las dos
fuerzas (F1 y F2 en la figura a la izquierda) sea un ángulo rectángulo, la intensidad
de la resultante coincide con la hipotenusa del triángulo
rectángulo, en el que las fuerzas son los catetos.
En este caso se puede calcular la
intensidad (el valor o módulo) aplicando el teorema de Pitágoras, siendo
R (resultante) igual a h (hipotenusa):
R = h = Raíz cuadrada de F1 + F2
F1= fuerza 1
F2= fuerza 2
RELACIÓN ENTRE LA
FUERZA Y LAS LEYES DE NEWTON
Las leyes que rigen el
comportamiento de las fuerzas las enunció Newton y hoy se conocen
como Las tres leyes de Newton y
conforman los Principios de la Dinámica.
