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 todos los
ejemplos citados podemos concluir que:
• La fuerza
es un tipo de acción que
un objeto ejerce sobre otro objeto (se dice que hay unainteracción). Esto puede apreciarse en los siguientes 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.
• Debe
haber dos cuerpos: de
acuerdo a lo anterior, para poder hablar de la existencia de una fuerza,
se debe suponer la presencia de dos cuerpos, ya que debe haber un cuerpo que
atrae y otro que es atraído, uno que impulsa y otro que es impulsado, uno que
empuja y otro que es empujado, etc.
Dicho de otra
manera, si se observa que sobre un cuerpo actúa una fuerza, entonces se puede
decir que, en algún lugar, hay otro u otros cuerpos que constituyen el origen
de esa fuerza.
• 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.
Para representar
la fuerza se emplean vectores.
Los vectores son entes matemáticos que tienen la particularidad de ser
direccionales; es decir, tienen asociada una dirección. Además, un vector posee
módulo, que corresponde a
su longitud, su cantidad numérica y su dirección (ángulo que forma con una línea de referencia).
Se representa un
vector gráficamente a través de una flecha en la dirección correspondiente
Resumiendo:
En física, fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo.
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.
Según el tiempo que dura la
aplicación de la fuerza:
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 que los tiempos
característicos del problema de que se trate.
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.
Asimismo, las fuerzas que actúan sobre un cuerpo pueden ser exteriores e interiores.
a) Fuerzas exteriores: son las que actúan sobre un cuerposiendo ejercidas
por otros cuerpos.
b) Fuerzas interiores: son
las que una parte de un cuerpo ejerce sobre otra parte de si mismo.
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 enkilopondio (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.
Cantidad vectorial
Una fuerza es una
cantidad vectorial. ¿Qué significa esto?
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).
Estos tres
componentes deben estar incluidos en la información de una fuerza.
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, el problema se complica bastante y
habría que recurrir a procedimientos geométricos e incluso de trigonometría.
Es la capacidad de los cuerpos para realizar
un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, es la capacidad de hacer funcionar las cosas.
La unidad de medida que utilizamos para
cuantificar la energía es el Joule (J).
Tipos de energía
La energía se manifiesta de diferentes
maneras, recibiendo
así diferentes denominaciones según las acciones y los cambios que puede
provocar. Encontramos los siguientes tipos de energía:
Energía mecánica.
La energía mecánica relacionada con la posición y el
movimiento del cuerpo, y que se divide en estas dos formas:
Energía cinética, que se manifiesta cuando los cuerpos se
mueven. Es decir, es la energía asociada a la velocidad de cada cuerpo. Se calcula con la fórmula:
o E c= ½ m • v 2
o Donde m es la masa (Kg), v la velocidad (m/s)
y E c la energía cinética (J=Kg·m 2 /s 2 )
Energía potencial, que hace referencia a la posición que ocupa una masa en el espacio. Su fórmula es:
o E p= m • g • h
o Donde m es la masa (Kg), g la gravedad de la
Tierra (9,81 m/s 2 ), h= la altura (m) y E p la energía potencial (J=Kg·m 2 /s 2 ).
La energía mecánica es la suma de la energía
cinética y la energía potencial de un cuerpo. Su fórmula es:
·
E m = E p + E c
·
Donde E m es la energía mecánica (J), E p la energía potencial (J) y E c la energía cinética (J).
Energía interna
La energía interna se manifiesta a partir de la temperatura. Cuanto
más caliente esté un cuerpo, más energía tendrá.
Energía eléctrica
La energía eléctrica está relacionada con la corriente eléctrica. Es decir, en un circuito en el que cada
extremo tiene una diferencia de potencial diferente.
Energía térmica
Se asocia con la cantidad de energía que pasa
de un cuerpo caliente a otro más frío manifestándose mediante el calor.
Energía electromagnética
Esta energía se atribuye a la presencia
de un campo electromagnético.
Las radiaciones que provoca el Sol son un ejemplo de ondas
electromagnéticas que se manifiestan en forma de luz, radiación infrarroja u
ondas de radio.
Energía química
La energía química se manifiesta en determinadas reacciones químicas.
La energía nuclear
Ésta se produce cuando los núcleos de los
átomos se rompen (fision) o se unen (fusión).Propiedades de la energía
La energía tiene 4 propiedades básicas:
·
Se transforma. La energía no se crea, sino que se
transforma, siendo durante esta transformación cuando se ponen de manifiesto
las diferentes formas de energía.
·
Se conserva. Al final de cualquier proceso de
transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que
había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.
·
Se transfiere. La energía pasa de un cuerpo a otro en forma
de calor, ondas o trabajo.
·
Se degrada. Solo una parte de la energía transformada es
capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones
mecánicas no deseadas).
Transferencia de
energía
Hay tres formas de transferir energía de un cuerpo a otro:
Trabajo
Cuando se realiza un trabajo se pasa energía a un cuerpo que cambia de una
posición a otra.
Por ejemplo, si en casa desplazamos una caja, estamos realizando un
trabajo para que su posición varíe.
Ondas
Las ondas son la propagación de perturbaciones de ciertas características, como el campo eléctrico, el magnetismo, la presión, y que se propagan a través
del espacio transmitiendo energía.
Calor
Es un tipo de energía que se manifiesta cuando se transfiere energía de un cuerpo
caliente a otro cuerpo más frío. Sin embargo, no siempre viaja de la misma
manera, existiendo tres formas diferentes de transferencia energética:
Conducción: cuando
se calienta un extremo de un material, sus partículas vibran y chocan con las partículas vecinas, transmitiéndoles
parte de su energía.
Radiación: el
calor se propaga a través de ondas de radiación infrarroja (ondas que se propagan a través del vacío y a
la velocidad de la luz).
Convección: que es propia de fluidos (líquidos o gaseosos) en
movimiento.
Las Leyes de
Newton, también conocidas como Leyes del movimiento de Newton,1 son tres
principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas
planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos al movimiento de
los cuerpos. Revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento
de los cuerpos en el universo, en tanto que
Constituyen los
cimientos no sólo de la dinámica clásica sino también de la física clásica en
general. Aunque incluyen ciertas definiciones y en cierto sentido pueden verse
como axiomas, Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y experimentos
cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más
básicas. La demostración de su validez radica en sus predicciones… La validez
de esas predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante
más de dos siglos.
En concreto, la
relevancia de estas leyes radica en dos aspectos:
Por un lado,
constituyen, junto con la transformación de Galileo, la base de la mecánica
clásica;
Por otro, al
combinar estas leyes con la Ley de la gravitación universal, se pueden deducir
y explicar las Leyes de Kepler sobre el movimiento planetario.
Las 3 Leyes
físicas, junto con la Ley de Gravitación Universal formuladas por Sir Isaac
Newton, son la base fundamental de la Física Moderna.
Así, las Leyes de
Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros, como los
movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así como
toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas.
Su formulación
matemática fue publicada por Isaac Newton en 1687 en su obra Philosophiae
Naturalis Principia Mathematica.
No obstante, la
dinámica de Newton, también llamada dinámica clásica, sólo se cumple en los
sistemas de referencia inerciales; es decir, sólo es aplicable a cuerpos cuya
velocidad dista considerablemente de la velocidad de la luz (que no se acerquen
a los 300,000 km/s); la razón estriba en que cuanto más cerca esté un cuerpo de
alcanzar esa velocidad (lo que ocurriría en los sistemas de referencia
no-inerciales), más posibilidades hay de que incidan sobre el mismo una serie
de fenómenos denominados efectos relativistas o fuerzas ficticias, que añaden
términos suplementarios capaces de explicar el movimiento de un sistema cerrado
de partículas clásicas que interactúan entre sí. El estudio de estos efectos
(aumento de la masa y contracción de la longitud, fundamentalmente) corresponde
a la teoría de la relatividad especial, enunciada por Albert Einstein en 1905.
Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
La primera ley del
movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse
en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que:
Todo cuerpo
persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser
que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.
La primera ley de
Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo
no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea
recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a
velocidad cero).
Como sabemos, el
movimiento es relativo, es decir, depende de cuál sea el observador que
describa el movimiento.
Así, para un
pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo
del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una
estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita,
por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento.
La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.
La segunda ley del
movimiento de Newton dice que el cambio de movimiento es proporcional a la
fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual
aquella fuerza se imprime.
F = m a
Tanto la fuerza
como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un
valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton
debe expresarse como:
La unidad de
fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un
Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa
para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1
m/s2
La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algoque provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros. La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m a
Tanto la fuerza
como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un
valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton
debe expresarse como:
F = m a
La unidad de
fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un
Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa
para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1
m/s2
Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto. Con toda acción
ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de
dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.
La tercera ley es
completamente original de Newton (pues las dos primeras ya habían sido
propuestas de otras maneras por Galileo, Hooke y Huygens) y hace de las leyes
de la mecánica un conjunto lógico y completo. Expone que por cada fuerza que
actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad y dirección,
pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma,
las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de
igual magnitud y opuestas en sentido.
Tal como
comentamos en al principio de la Segunda ley de Newton las fuerzas son el
resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
