jueves, 9 de octubre de 2014

La fuerza; resultado de las interacciones por contacto (mecánicas) y a distancia (magnéticas y electrostáticas), y representación con vectores

aprendizaje esperado. Describe la fuerza como efecto de la interacción entre los objetos y la representa con vectores.


Si pateas una pelota, esta llegará más lejos dependiendo de la intensidad de la patada. En el béisbol, si con el bate se golpea con suficiente intensidad la pelota, se le hará volar fuera del campo. Si cierras una ventana con un empujón fuerte, podrías romperla. Habrás notado que necesitas hacer un esfuerzo muscular para llevar a cabo estas acciones. También lo haces al cargar un bulto o al modelar plastilina. 

Asimismo, has observado lo que ocurre cuando un imán se acerca a un objeto metálico. Imagina que tienes un imán en la mano y poco a poco lo acercas a la puerta del refrigerador (figura 1.77). Antes de que el imán toque el refrigerador, sentirás un pequeño jalón en la mano. Cuanto más poderoso sea el imán más fuerte sentirás el jalón.

Si en una fiesta quieres decorar con globos las paredes, no necesitas emplear pegamento, bastará con que frotes los globos en tu cabello, si está seco, y los acerques a la pared. Si lo haces lentamente, sentirás el mismo efecto que cuando acercas el imán a la puerta del refrigerador.

Usamos la palabra fuerza de manera cotidiana, por lo tanto, seguramente ya tienes una idea de lo que significa. En todos los ejemplos anteriores hay una fuerza involucrada, en la patada, en el golpe con el bate, al empujar la ventana, al cargar un bulto o al modelar plastilina. También hay fuerzas entre el imán y la puerta del refrigerador, así como entre el globo frotado y la pared.

Ahora, se definirán las fuerzas como aquello que produce cambios en los objetos. Por ejemplo, las fuerzas pueden producir un cambio en la forma, como cuando aplastas una lata para reciclarla. También pueden modificar el estado de reposo o de movimiento, como cuando atrapas o pateas una pelota, o la haces cambiar de dirección.

Para que exista una fuerza debe haber al menos dos elementos que interaccionen. Por eso, una fuerza es el resultado de interacciones de varios elementos. Las fuerzas se pueden clasificar en dos grandes grupos. Por una parte, las fuerzas de contacto; en cuyo caso hay un contacto con un objeto y ello produce el cambio. Por ejemplo, cuando se empujan o jalan cosas, o se modela arcilla, o bien, cuando la fuerza del viento hace funcionar un molino.

El otro gran grupo lo constituyen las fuerzas en las que no hay contacto directo con el objeto, es decir, no se le toca, pero el cambio se produce. Estas son las llamadas fuerzas a distancia o fuerzas de largo alcance. Un ejemplo que ya se discutió, aunque no refiriéndose explícitamente al uso de la fuerza, es el de la gravedad que ejerce la Tierra y hace caer a los objetos. 

Al igual que ocurre con toda cantidad física, hay que definir una unidad para medir la fuerza (F), una unidad con la que todos nos entendamos. Por convención, esa unidad, en el Sistema Internacional de Unidades, es el newton (N), llamado así en honor del gran físico inglés Isaac Newton. Una fuerza es una cantidad vectorial, es decir, que tiene magnitud, dirección y sentido. 

Esto significa que para describir la fuerza que actúa sobre un objeto es preciso indicar, además de su magnitud, la dirección y el sentido en que dicha fuerza lo hace. Así pues, decir que sobre un objeto actúa una fuerza de 10 N no constituye una descripción completa. Para ello habría que indicar, por ejemplo, que esa fuerza actúa en
dirección vertical y en sentido descendente.

Considera un libro de Física que está en reposo sobre una mesa. En este caso hay dos fuerzas que actúan sobre el libro: la fuerza de gravedad con la que la Tierra jala el libro en dirección vertical y hacia abajo, y la fuerza con la que la mesa lo empuja también en dirección vertical, pero hacia arriba, como se muestra en la figura 1.81. A esta última fuerza se le llama fuerza normal. Como estas fuerzas están balanceadas, es decir, son de la misma magnitud, pero de sentido contrario, entonces el libro no se mueve y se dice que está en equilibrio.


Es común representar al objeto como un cuadrado o rectángulo y dibujar a partir de su centro las flechas correspondientes a las fuerzas, indicando cuál es cada una de ellas. Un ejemplo de lo anterior se puede observar en la figura 1.82, en la que se representa un objeto sobre el que actúan la fuerza de gravedad hacia abajo (Fgrav), una fuerza normal hacia arriba (Fnorm), una fuerza aplicada hacia la derecha (Fap) y una fuerza aplicada hacia la izquierda (Ffric).


A las fuerzas que, como la resistencia del aire, se oponen al movimiento de un objeto se les llama genéricamente fuerzas de rozamiento, y se pueden presentar en interacciones de objetos sólidos y gases, de objetos sólidos y líquidos, de pares de objetos líquidos, de pares de gases y de pares de objetos sólidos. Cuando se presenta una fuerza de oposición al movimiento entre dos superficies sólidas, a la fuerza de rozamiento se le suele llamar
fuerza de fricción.

La fuerza de fricción es la que hace que se detenga una canica cuando rueda sobre la calle o un lápiz que se hace rodar sobre una mesa. Claro está que esta fricción depende de la rugosidad de la superficie. Una superficie muy lisa ejercerá menor fricción y una canica llegará más lejos con el mismo empujón.

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