5.7 Aplicaciones de las leyes
de Newton
Fuerza Normal
La fuerza normal es una fuerza de contacto que actúa perpendicularmente a la superficie de apoyo cuando un objeto está en contacto con ella. Esta fuerza es una reacción que surge para contrarrestar la componente perpendicular del peso del objeto o cualquier otra fuerza que lo presione contra la superficie.
Características principales de la fuerza normal:
-
Dirección: Siempre es perpendicular a la superficie de contacto.
-
Magnitud: Depende de las fuerzas aplicadas al objeto, como su peso o cualquier fuerza adicional.
-
Equilibrio: En ausencia de aceleración vertical, la fuerza normal equilibra las fuerzas perpendiculares aplicadas a la superficie.
Cálculo de la fuerza normal (𝐹𝑛):
1. Objeto en reposo sobre una superficie horizontal
-
Si el objeto solo está sujeto a su propio peso (𝑊=𝑚.𝑔):
-
Donde:
-
m = Masa del objeto
-
g = Gravedad (aproximadamente 9.8 m/s2)
-
2. Objeto en un plano inclinado
-
La fuerza normal depende del ángulo de inclinación (𝜃):
Ejemplos de fuerza normal en la vida diaria:
-
Libro sobre una mesa:
-
El peso del libro (𝑚⋅𝑔) es equilibrado por la fuerza normal de la mesa.
-
-
Persona de pie:
-
El suelo ejerce una fuerza normal hacia arriba que equilibra el peso del cuerpo.
-
-
Plano inclinado:
-
Un bloque en un plano inclinado experimenta una fuerza normal que es menor que el peso debido al ángulo de inclinación.
-
-
Ascensores:
-
En un ascensor en movimiento, la fuerza normal cambia:
-
Si el ascensor sube acelerando, la fuerza normal aumenta.
-
Si desciende acelerando, la fuerza normal disminuye.
-
-
3. Fuerza adicional sobre el objeto
-
Si hay una fuerza externa F actuando verticalmente hacia abajo o hacia arriba, se ajusta la fórmula:
-
Hacia abajo:
-
Hacia arriba:
Fuerza de Rozamiento
(Fricción)
La fuerza de rozamiento es una fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto. Surge debido a las irregularidades microscópicas en las superficies y a las fuerzas de interacción entre las moléculas.
Tipos de fuerza de rozamiento:
1. Fricción estática (Fe):
-
Actúa cuando un objeto está en reposo.
-
Impide que el objeto comience a moverse.
-
Su magnitud máxima está dada por:
Donde:
-
𝜇𝑒 = Coeficiente de fricción estática.
-
𝐹𝑛 = Fuerza normal.
Fricción de fluidos:
-
Surge cuando un objeto se mueve a través de un líquido o gas (ejemplo: resistencia del aire).
2. Fricción cinética (𝐹𝑐):
-
Actúa cuando el objeto está en movimiento.
-
Es menor que la fricción estática máxima.Su magnitud es:
-
Donde:
-
𝜇𝑐 = Coeficiente de fricción cinética.
-
𝐹𝑛 = Fuerza normal.
-
3. Fricción por rodadura:
-
Se produce cuando un objeto rueda sobre una superficie.
-
Es mucho menor que la fricción estática o cinética.
Factores que afectan la fuerza de rozamiento:
-
Tipo de superficies:
-
Superficies ásperas tienen un coeficiente de fricción más alto.
-
-
Fuerza normal (𝐹𝑛):
-
A mayor fuerza normal, mayor será la fricción.
-
-
Estado del movimiento:
-
La fricción estática es generalmente mayor que la cinética.
-
Ventajas y desventajas de la fricción:
Ventajas:
-
Permite caminar, sujetar objetos y frenar vehículos.
-
Es crucial en la transmisión de energía en máquinas, como en las correas de transmisión.
Desventajas:
-
Provoca desgaste en las superficies.
-
Reduce la eficiencia de máquinas debido a la pérdida de energía en forma de calor.
Dinámica del Movimiento Circular
El movimiento circular ocurre cuando un objeto sigue una trayectoria curva con forma de circunferencia. La dinámica de este tipo de movimiento se explica a través de las fuerzas que actúan sobre el objeto, principalmente la fuerza centrípeta, que es responsable de mantenerlo en su trayectoria circular.
Características del movimiento circular:
-
Trayectoria: Una circunferencia o arco.
-
Velocidad tangencial (𝑣𝑡): Es la velocidad con la que el objeto se mueve a lo largo de la circunferencia.
-
Es tangente a la trayectoria en cada punto.
-
-
Aceleración centrípeta (𝑎𝑐): Es la aceleración que apunta hacia el centro de la circunferencia y causa el cambio en la dirección del movimiento.
Donde:
𝑣𝑡 = Velocidad tangencial.
𝑟 = Radio de la trayectoria circular.
Fuerza centrípeta
Es la fuerza necesaria para mantener un objeto en movimiento circular. Siempre apunta hacia el centro de la circunferencia.
Sustituyendo la aceleración centrípeta:
Donde:
-
𝐹𝑐 = Fuerza centrípeta.
-
𝑚 = Masa del objeto.
-
𝑣𝑡 = Velocidad tangencial.
-
𝑟 = Radio de la trayectoria.
Ejemplos de fuerza centrípeta en la vida cotidiana:
-
Un auto en una curva: La fricción entre los neumáticos y la carretera actúa como fuerza centrípeta.
-
Planetas orbitando el Sol: La fuerza gravitatoria entre el Sol y los planetas actúa como fuerza centrípeta.
-
Un objeto atado a una cuerda girando: La tensión en la cuerda proporciona la fuerza centrípeta.
Video Educativo:
Tests interactivos: