Interacciones y fuerzas

¿Alguna vez notaste que cuando sueltas un objeto, cae? Esto sucede porque existe una interacción entre ese objeto y la Tierra. Las interacciones son acciones mutuas que los cuerpos ejercen entre sí, siempre actuando por parejas.

Existen principalmente dos tipos de interacciones:

• Interacciones a distancia: Ocurren sin contacto directo entre los cuerpos. Por ejemplo, la Tierra atrae a todos los objetos cercanos sin tocarlos directamente (gravedad).
• Interacciones de contacto: Suceden cuando las superficies de los objetos se tocan, como cuando chocas con alguien o empujas una mesa.

Cuando dos cuerpos A y B interactúan, se producen dos fuerzas: la que A ejerce sobre B y la que B ejerce sobre A. Las fuerzas son el resultado de estas interacciones y se miden en newtons (N) en el Sistema Internacional.

💡 ¡Dato clave! Aunque no las veas, las fuerzas están actuando constantemente a tu alrededor. Cada vez que caminas, escribes o respiras, estás interactuando con tu entorno mediante fuerzas.

Las fuerzas se diferencian entre sí por su intensidad, los cuerpos a los que afectan y su alcance. Por ejemplo, la fuerza gravitatoria afecta a todos los cuerpos con masa, mientras que las fuerzas eléctricas solo actúan sobre cuerpos con carga eléctrica.

Composición de fuerzas

Cuando varias fuerzas actúan sobre un mismo cuerpo, sus efectos se combinan produciendo una fuerza resultante. Para entender cómo funciona esto, necesitamos saber cómo representar las fuerzas.

Las fuerzas son magnitudes vectoriales que se caracterizan por cuatro elementos:

• Módulo o intensidad: Indica qué tan grande es la fuerza
• Dirección: Es la recta sobre la que se aplica
• Sentido: Indica hacia dónde se aplica la fuerza
• Punto de aplicación: El punto exacto donde actúa la fuerza

Cuando las fuerzas tienen la misma dirección, calcular la resultante es sencillo:

• Si tienen el mismo sentido, se suman: F₁ + F₂
• Si tienen sentidos opuestos, se restan: F₁ - F₂

Por ejemplo, si empujás un carrito con una fuerza de 50 N y tu amigo te ayuda empujando con 30 N en la misma dirección, la fuerza resultante será de 80 N. Pero si tu amigo empuja en dirección contraria, la fuerza resultante será de 20 N.

🔍 Atención: El punto de aplicación de una fuerza es crucial. Una misma fuerza aplicada en diferentes puntos de un objeto puede producir efectos totalmente distintos, como sucede cuando empujás una puerta cerca o lejos de sus bisagras.

Efectos de las fuerzas

Las fuerzas pueden provocar dos efectos principales en los cuerpos: cambiar su estado de movimiento y deformarlos. ¡Estos efectos están presentes en situaciones cotidianas!

Cuando aplicamos una fuerza a un cuerpo, este puede comenzar a moverse si estaba quieto, o cambiar su velocidad si ya estaba en movimiento. Este cambio se debe a la aceleración que produce la fuerza, como establece la segunda ley de Newton.

Sin embargo, los cuerpos reales no son totalmente rígidos. Por eso, además de cambiar su movimiento, las fuerzas también pueden deformarlos. Algunos ejemplos que ves todos los días son:

• Un globo que se aplasta al presionarlo
• Un auto que se abolla en un choque
• Una goma que se estira

Existen dos tipos básicos de deformaciones:

• Compresión uniforme: Cambia el volumen sin modificar la forma (como un globo que se hincha o deshincha)
• Cizalladura: Cambia la forma sin modificar el volumen (como cuando cortas con tijeras)

💡 Dato curioso: La deformación que sufre un cuerpo depende tanto de sus características (la plastilina se deforma más que el acero), como de la intensidad de la fuerza y la superficie sobre la que se aplica. ¡Por eso un clavo se clava fácilmente aunque apliques poca fuerza!

Presión y superficie de aplicación

Seguro has notado que es más fácil cortar con un cuchillo afilado que con uno sin filo. Esto no se debe solo a la fuerza que aplicás, sino a la superficie sobre la que actúa esa fuerza.

Cuando caminamos sobre la nieve, nos hundimos porque nuestro peso (la fuerza) actúa sobre una superficie pequeña (nuestros pies). Sin embargo, si nos ponemos esquíes, distribuimos ese mismo peso sobre una superficie mucho mayor, y no nos hundimos.

Lo mismo ocurre con objetos puntiagudos:

• Un clavo se hunde fácilmente en la madera porque su punta tiene una superficie muy pequeña
• Un cuchillo corta mejor cuando está afilado porque el filo tiene poca superficie
• Las tijeras pueden cortar una chapa metálica con poca fuerza porque concentran esa fuerza en un área diminuta

La presión es precisamente la relación entre la fuerza aplicada y la superficie sobre la que actúa. Se calcula con la proyección de la fuerza sobre la recta perpendicular a la superficie.

🔍 Truco para recordar: Cuando querés aumentar la presión, reducís la superficie de contacto. Por eso los tacones finos se hunden más en el césped que los zapatos de suela ancha, aunque el peso sea el mismo.

Fuerzas y deformaciones

¿Te has preguntado por qué algunos objetos, como las ligas de goma, vuelven a su forma original después de estirarlos, mientras que otros, como la plastilina, mantienen la nueva forma? La respuesta está en la elasticidad de los materiales.

Los materiales elásticos recuperan su forma cuando deja de actuar la fuerza que los ha deformado. Un ejemplo perfecto es la pértiga que usan los atletas: se dobla bajo su peso y luego recupera su forma, impulsándolos hacia arriba.

La deformación de un cuerpo depende de la intensidad de la fuerza: cuanto mayor sea la fuerza, mayor será la deformación. Pero ojo, existe un límite. Si la fuerza es demasiado grande, el objeto puede romperse y ya no volverá a su forma original.

En el caso de los muelles o resortes, la relación entre fuerza y deformación está definida por la ley de Hooke:

F = k · Δl

Donde:

• F es la fuerza aplicada
• k es la constante de elasticidad del muelle
• Δl es el alargamiento producido

💡 Aplicación práctica: Esta ley permite construir dinamómetros, instrumentos que miden fuerzas mediante el estiramiento de un resorte. La próxima vez que uses una balanza de cocina, recordá que funciona gracias a la ley de Hooke.

La constante k depende de las características del muelle (material, grosor, elasticidad) y se mide en N/m en el Sistema Internacional.

Medición de fuerzas

¿Cómo podemos medir con precisión una fuerza? La ley de Hooke nos proporciona la respuesta perfecta a través de los dinamómetros.

Un dinamómetro es un instrumento que utiliza un resorte para medir fuerzas. Cuando se ejerce una fuerza sobre él, el muelle se estira proporcionalmente a esa fuerza, permitiéndonos leer su valor en una escala calibrada. No es necesario calcular nada: el aparato muestra directamente la medida.

Para usar correctamente un instrumento de medida, debemos conocer dos características importantes:

• Precisión: Es la cantidad mínima que puede medir el instrumento (la separación entre dos marcas consecutivas)
• Rango de medida: Es el intervalo entre el valor mínimo y máximo que puede medir

Podemos verificar la ley de Hooke experimentalmente colgando diferentes pesas de un muelle y midiendo su alargamiento. Si representamos gráficamente estos datos (fuerza en el eje X y alargamiento en el eje Y), obtendremos una línea recta cuya pendiente es la constante del muelle.

🔍 ¿Sabías que...? Muchos instrumentos cotidianos son en realidad dinamómetros. Las balanzas de cocina, por ejemplo, usan muelles que se comprimen o estiran según el peso colocado sobre ellas.

Para calcular la constante de un muelle, podemos usar la fórmula: k = F/Δl

Por ejemplo, si una fuerza de 2,0 N produce un alargamiento de 8,0 cm, la constante del muelle será: k = 2,0 N / 8,0 cm = 0,25 N/cm

Algunas fuerzas de interés

En nuestro día a día, algunas fuerzas están siempre presentes. Vamos a conocer las más importantes y cómo afectan nuestras actividades cotidianas.

El peso es probablemente la fuerza más familiar para todos. Es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo hacia su centro. Se calcula con la fórmula:

Fpeso = m · g

Donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleración de la gravedad $g = 9,8 N/kg en la superficie terrestre$. Por ejemplo, una manzana de 0,2 kg tiene un peso de 1,96 N.

No confundas peso con masa: la masa es una propiedad intrínseca del cuerpo (cantidad de materia), mientras que el peso es una fuerza que depende de la gravedad del lugar.

La fuerza normal es la que ejercen perpendicularmente las superficies sobre los cuerpos en contacto con ellas. Cuando sostenés un libro con la mano, sentís su peso; para evitar que caiga, tu mano ejerce una fuerza igual y hacia arriba (la normal).

La fuerza de rozamiento aparece cuando un cuerpo se desliza sobre otro, siempre paralela a las superficies en contacto y oponiéndose al movimiento. Sus características principales son:

• Depende de la naturaleza de las superficies (metal, madera, etc.)
• Es proporcional al peso del cuerpo
• No depende del área de contacto
• Aumenta con la velocidad

💡 Aplicación práctica: Los frenos de un avión despliegan dispositivos que aumentan el rozamiento con el aire para reducir su velocidad más rápidamente. ¡Así se aprovecha una fuerza que generalmente nos molesta!

Los principios de la dinámica: las leyes de Newton

La dinámica estudia la relación entre las fuerzas y los movimientos que producen. Se fundamenta en las tres leyes formuladas por Isaac Newton, que revolucionaron nuestra comprensión del universo.

Primera ley de Newton (Principio de inercia): Si sobre un cuerpo no se ejerce ninguna fuerza neta, entonces permanece en reposo o se mueve con movimiento rectilíneo uniforme.

Esto explica por qué un libro sobre la mesa no se mueve solo, pero también por qué un astronauta flotando en el espacio seguiría moviéndose indefinidamente en línea recta si no actúa ninguna fuerza sobre él.

Segunda ley de Newton (Principio de acción de fuerzas): Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza neta F, se produce una aceleración a, relacionadas por la ecuación:

F = m · a

Esta es la famosa ecuación fundamental de la dinámica. Nos dice que la aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a su masa.

Tercera ley de Newton (Principio de acción y reacción): Cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, el cuerpo B ejerce sobre A una fuerza igual y de sentido contrario.

💡 Ejemplo cotidiano: Al remar, los remeros empujan el agua hacia atrás (acción), y el agua empuja el bote hacia adelante (reacción). Este mismo principio permite que las naves espaciales se muevan en el vacío expulsando gases en dirección contraria a la que quieren avanzar.

Estas leyes nos permiten analizar cualquier situación física donde intervengan fuerzas, desde el movimiento de un auto hasta el funcionamiento de un cohete.

Aplicación de las leyes de Newton

La segunda ley de Newton es especialmente útil para resolver problemas de dinámica. Si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, la ecuación se escribe como:

ΣF = m · a

Donde ΣF representa la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

Veamos un ejemplo práctico: un coche de 1000 kg recibe una fuerza del motor de 1500 N, mientras que la fuerza de rozamiento es de 500 N en sentido opuesto. ¿Qué aceleración adquiere?

Aplicando la segunda ley: ΣF = Fm - Fr = m · a 1500 N - 500 N = 1000 kg · a a = 1 m/s²

Otro ejemplo: un automóvil de 1000 kg se mueve a 20 m/s y recibe una fuerza constante de 3000 N en el sentido del movimiento. ¿Cuál será su aceleración, velocidad después de 4 segundos y distancia recorrida?

Calculamos la aceleración: a = F/m = 3000 N/1000 kg = 3 m/s²

La velocidad después de 4 segundos: v = v₀ + a·t = 20 + 3·4 = 32 m/s

La distancia recorrida: s = v₀·t + ½a·t² = 20·4 + 0,5·3·4² = 104 m

🔍 Consejo: Al resolver problemas de dinámica, dibuja siempre un esquema con todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. Esto te ayudará a no olvidar ninguna y a determinar correctamente sus direcciones y sentidos.

Si la misma fuerza de 3000 N se aplicara en sentido opuesto al movimiento, la aceleración tendría el mismo valor $3 m/s²$ pero en sentido contrario, frenando el auto hasta reducir su velocidad a 8 m/s y recorriendo solo 56 m.

Fuerzas y movimientos

Cuando vemos moverse un objeto, podemos deducir qué fuerzas actúan sobre él gracias a las leyes de Newton. ¿Cómo se relacionan esas fuerzas con los diferentes tipos de movimientos?

Según la primera ley de Newton, si un objeto cambia su velocidad o dirección, debe haber una fuerza actuando sobre él. Por ejemplo, cuando un futbolista golpea un balón, este cambia bruscamente de dirección y velocidad debido a la fuerza del impacto.

También sabemos que un balón rodando por el césped eventualmente se detiene aunque nadie lo toque. Esto se debe a la fuerza de rozamiento con el suelo, que va frenándolo poco a poco.

En un movimiento rectilíneo uniforme (MRU), la velocidad es constante. Según la segunda ley de Newton, esto significa que la suma de todas las fuerzas debe ser cero:

ΣF = 0

Por ejemplo, cuando un auto viaja a velocidad constante por una carretera, la fuerza del motor exactamente compensa la resistencia del aire y el rozamiento.

En un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA), la aceleración es constante. Según la segunda ley, esto significa que la fuerza neta también debe ser constante:

ΣF = m·a = constante

💡 Aplicación cotidiana: Cuando un libro está en reposo sobre una mesa, hay dos fuerzas actuando sobre él: el peso que lo empuja hacia abajo y la fuerza normal que ejerce la mesa hacia arriba. Como el libro no se mueve, estas fuerzas deben ser exactamente iguales y opuestas, resultando en una fuerza neta de cero.

Los principios de la dinámica nos permiten predecir cómo se moverá un cuerpo al aplicarle determinadas fuerzas, o deducir qué fuerzas actúan sobre él observando su movimiento. ¡Son herramientas fundamentales para entender el mundo físico!