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Fuerza

01 May 2018 . category: .

Dinámica

La dinámica es la parte de la mecánica que se ocupa del estudio del movimiento de los cuerpos y las fuerzas que los provocan o modifican.

Leyes de Newton

Fuerza y fricción

Al tratar de mover un objeto empujándolo, se dice que estamos ejerciendo una fuerza sobre el objeto para provocar en él un movimiento.

Las fuerzas como tal, no son visibles, pero si podemos observar el efecto que tienen sobre los objetos.

La unidad de medida para la fuerza en el sistema internacional es el newton (N), cuya definición es:

Newton: es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s^2. Es decir:

$1N = 1\ kg\frac{m}{s^{2}}$

En el sistema cgs para medir a la fuerza empleamos la dina, definámosla entonces:

Una dina es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un gramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 cm/s^2.

Matemáticamente:

$1\ dina\ = \ 1\ g\frac{\text{cm}}{s^{2}}$

Todas las fuerzas tienen las siguientes propiedades:

1.Las fuerzas se caracterizan por su magnitud, su dirección, su sentido y punto de aplicación. Debido a estas características las fuerzas se representan con vectores:

2.Las fuerzas ocurren en parejas. Si un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, también B ejerce una fuerza sobre A.

3.Una fuerza sobre un objeto puede deformarlo.

4.Una fuerza sobre un objeto puede producirle un cambio en la velocidad, es decir, una aceleración.

Las fuerzas que actúan en un cuerpo se pueden clasificar en dos:

Fuerzas internas: Son las que existen entre las partes del mismo objeto, es decir, las fuerzas que mantienen unidos los átomos y moléculas que lo componen.

Fuerzas externas: Son las fuerzas que ejercen otros objetos sobre el cuerpo en estudio.

Las fuerzas también pueden clasificarse en:

Fuerzas de contacto: Se presentan cuando hay contacto físico entre los dos cuerpos que interactúan.

Fuerzas de acción a distancia: Se manifiesta cuando entre dos cuerpos hay una interacción sin que exista contacto físico entre ellos o sin que exista un medio material entre ellos.

En función de sus orígenes se clasifican en:

1.Fuerza gravitatoria

2.Fuerza electromagnética

3.Fuerza nuclear fuerte

4.Fuerza nuclear débil

La medición de las fuerzas se puede efectuar con dinamómetros.

La fuerza que se opone al movimiento se llama fuerza de fricción.

La fuerza de fricción ocurre en todas partes donde 2 medios se hallan en contacto:

Solido – Solido

Solido – Liquido

Solido – Gas

Etc…

Todas las superficies por más lisas que parezcan, son microscópicamente rugosas. Cuando dos superficies están en contacto se forman puntos de alta presión, cual provoca fusión o cohesión locales entre las superficies.

Si se quiere desplazar una superficie sobre otra, estos puntos de fusión deben romperse.

Los primeros investigadores formularon las siguientes leyes:

1.La fuerza de fricción actúa siempre en sentido opuesto al movimiento o a la fuerza que intenta producir el movimiento.

2.La fuerza de fricción es independiente del área de contacto de los dos cuerpos o medios en contacto.

3.La fuerza de fricción es proporcional al peso (carga).

4.La fuerza de fricción es independiente de la rapidez del desplazamiento entre los cuerpos.

Para su estudio se dividen en secas y viscosas.

Fricción estática f_s

Este tipo de fricción evita el movimiento entre superficies secas y limpias de sólidos en contacto.

Fricción dinámica o cinética f_d

Esta fuerza aparece una vez que ha vencido a la fricción estática y se ha iniciado el movimiento.

Cuando no se está aplicando ninguna fuerza al objeto, la fuerza de fricción estática es 0, pero cuando se le quiere mover la fuerza de fricción estática va creciendo, de manera que contrarresta la fuerza externa que quiere mover el objeto.

Una vez vencida la fuerza de fricción, se llega el límite máximo de fricción que se pude ejercer entre las dos superficies, aparece la fuerza de fricción dinámica.

Fuerza de fricción por rodamiento

Esta fuerza se presenta cuando un cuerpo cilíndrico o una esfera giran sobre una superficie plana o cuando dos objetos cilíndricos en contacto se mueven uno con respecto al otro.

La fuerza de fricción por rodamiento (f_r), es menor que la fuerza de fricción dinámica.

La dificultad o facilidad que presentan las superficies para que se deslice un cuerpo por ellas, se mide con los llamados coeficiente de fricción.

A mayor coeficiente de fricción, mayor será la fuerza de fricción.

La fuerza de fricción entre dos objetos está definida por:

$f = \mu N$

Fuerza de fricción estática máxima

$f_{\text{s\ max}} = \mu_{s}N$

Fuerza de fricción dinámica o cinética

$f_{d} = \mu_{d}N$

Fuerza de fricción por rodamiento

$f_{r} = \mu_{r}N$

Donde

$N = fuerza\ normal$

La fuerza de fricción entre dos superficies solidas puede reducirse considerablemente al lubricar las superficies en contacto.

Ejemplo:

Un bloque de madera sobre un piso de madera se va a mover, pero antes de hacerlo se quiere conocer la fuerza de fricción estática máxima que existe entre dichas superficies. Se sabe que el coeficiente de friccion es 0.4 y que la fuerza normal entre estas dos superficies es de 80N ¿Qué valor tiene la fuerza de fricción estática máxima?

$\mu_{s} = 0.4$ $N = 80N$ $f_{\text{s\ max}} = ?$

Formula

$f_{s} = \mu_{s}N$ $f_{\text{s\ max}} = \left( 0.4 \right)\left( 80N \right)$ $f_{\text{s\ max}} = 32N$

Ejemplo:

El mismo bloque de madera se mueve a velocidad constante sobre el piso de madera, y el coeficiente de friccion dinamico es de 0.3 ¿Cuál es el valor de la fuerza de fricción dinámica?

$\mu_{d} = 0.3$ $N = 80N$ $f_{d} = ?$

Formula

$f_{d} = \mu_{d}N$ $f_{d} = \left( 0.3 \right)\left( 80N \right)$ $f_{d} = 24N$

Masa inercial

La resistencia que, en general, presentan los cuerpos para cambiar su estado de movimiento o de reposo recibe el nombre de inercia.

La masa inercial o simplemente masa es una medida de la inercia, cuanto mayor sea la inercia de un cuerpo, mayor será su masa.

La masa de un cuerpo es constante, ya que no cabía si se altera la temperatura, forma o estado.

La unidad de mediada en el SI es el kilogramo. Sin embargo en países de habla inglesa se utiliza el slug:

$1\ slug = \ 14.59kg$

La masa de un cuerpo puede ser medida con una balanza , siempre que exista gravedad don se realiza la medida, sin embargo en los casos donde no existe gravedad se puede medir la masa comparando aceleraciones que una fuerza determinada produce sobre dicho cuerpo y el cuerpo cuya masa se toma como referencia:

$\frac{m_{1}}{m_{2}} = \frac{a_{2}}{a_{1}}$

Ejemplo:

Si un bloque de 1 kg experimenta una aceleración de 4 m/s^2, cuando actúa sobre él una determinada fuerza. Determina la masa del baúl que experimenta una aceleración de 0.25 m/s^2 cuando actúa la misma fuerza.

$m_{2} = 1kg$ $m_{1} = ?$ $a_{2} = 4\frac{m}{s^{2}}$ $a_{1} = 0.25\frac{m}{s^{2\ }}$

Formula:

$\frac{m_{1}}{m_{2}} = \frac{a_{2}}{a_{1}}$ $\frac{m_{1}}{1kg} = \frac{4\frac{m}{s^{2}}}{0.25\frac{m}{s^{2}}}$ $m_{1} = 16kg$

Docente de Física 1 y TICs, Ing. en Computación egresado de la UNAM