Las fuerzas

Índice

Las fuerzas y sus efectos

Una fuerza es toda causa capaz de producir cambios en el movimiento o en la estructura (deformaciones) de un cuerpo. En el SI se mide en newtons (N).

Leyes de Newton

1. Ley de la inercia

Todo cuerpo preserva su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme salvo que actúe una fuerza sobre él.

En el siguiente vídeo del Departamento de Física y Química del IES Valle del Saja puedes ver un ejemplo de cómo los objetos tienden a mantener su estado de reposo, utilizando un pulsador de bolígrafo y una cámara de alata velocidad:

2. Ley fundamental de la dinámica

El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza ejercida y se hace en la dirección de la línea recta en que se ejerce la fuerza.

$$ F = m\cdot a\quad \text{(la aceleración es proporcional a la fuerza neta)} $$

3. Ley de la acción-reacción

Para toda acción siempre hay una reacción igual y opuesta.

Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, éste ejercerá sobre A una fuerza igual y de sentido contrario.

Ley de Hooke

La ley de Hooke relaciona el alargamiento o elongación, $\Delta x$, que sufre un muelle o resorte bajo la acción de una cierta fuerza $F$:

$$ F = k\cdot \Delta x, $$

donde $k$ es la llamada constante de elasticidad del muelle. Como se puede ver en la figura, el alargamiento sufrido por el muelle es proporcional a la fuerza ejercida sobre él.

Simulaciones

Puedes aprender más sobre masas, resortes y la ley de Hooke con las siguientes simulaciones:

Práctica virtual

También puedes ver este excelente vídeo del Departamento de Física y Química del IES Valle del Saja donde nos enseñan cómo realizar una práctica virtual relacionada con la ley de Hooke:

Máquinas simples

Una máquina simple es un dispositivo mecánico que cambia la magnitud o la dirección de una fuerza.

Ventaja teórica

La ventaja teórica es la relación entre la fuerza obtenida y la fuerza aplicada.

Palanca

Ley de la palanca

La ley de la palanca establece:

$$ P\cdot B_P = R\cdot B_R $$

Torno

Polea

Plano inclinado

Cuña

Tornillo

Principales fuerzas de la naturaleza

Rozamiento

La fuerza de rozamiento está asociada al contacto entre superficies rugosas.

Características

• Se genera debido a las imperfecciones, que en mayor parte son microscópicas, entre las superficies en contacto.
• Siempre se opone al movimiento.
• Es paralela a la superficie de apoyo.
• Depende de:
  • La naturaleza y el estado de las superficies.
  • La fuerza que ejerce un cuerpo sobre otro.

Puedes aprender más sobre la naturaleza del rozamiento con esta simulación:

Puedes seguir aprendiendo más cosas sobre la relación entre las fuerzas y el movimiento con esta simulación:

Gravitatoria

La fuerza gravitatoria es la fuerza con la que los cuerpos se atraen entre sí, siendo directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Peso

A la fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo de masa $m$ se le llama peso, $P$:

$$ P = m\cdot g, $$

siendo $g$ la aceleración de la gravedad (9.8$\thinspace$N/kg en la Tierra).

¿Qué ocurre cuando una bola de bolos y una pluma se dejan caer juntas en las condiciones del espacio exterior? Brian Cox nos lo enseña en este impresionante vídeo:

¿Y cuánto vale la gravedad en otros astros del Sistema Solar? Pincha aquí

Astro	$g$	$\mathrm{m/s^2}$
Sol ☀️	28.02	274.8
Júpiter ♃	2.53	24.8
Neptuno ♆	1.14	11.2
Saturno ♄	1.07	10.4
Tierra ♁	1	9.8
Venus ♀	0.90	8.9
Urano ♅	0.89	8.7
Marte ♂	0.38	3.7
Mercurio ☿	0.38	3.7
Luna 🌙	0.17	1.6

Descubre a qué altura podrías saltar en otros planetas con este genial vídeo:

Puedes aprender más sobre la fuerza gravitatoria con esta simulación:

Eléctrica

Es la fuerza con la que las cargas eléctricas se atraen (signo opuesto) o se repelen (mismo signo), siendo directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La materia cargada ➕ tiene un defecto de electrones, mientras que la materia cargada ➖ tiene un exceso de electrones¹.

Puedes aprender más sobre la fuerza eléctrica con esta simulación:

También puedes aprender más sobre la electricidad estática con esta simulación:

Analogías y diferencias entre las fuerzas gravitatoria y eléctrica

Fuerza gravitatoria	Fuerza eléctrica
Se ejerce entre masas.	Solamente se ejerce entre cuerpos con carga eléctrica.
Siempre es atractiva.	Puede ser atractiva o repulsiva.
Es proporcional al producto de las masas.	Es proporcional al producto de las cargas.
Se ejerce a distancia.
Disminuye muy rápidamente al aumentar la distancia.
Su valor no depende del medio.	Su valor depende del medio.

Magnética

Un imán es un material u objeto que produce un campo magnético, responsable de la fuerza de atracción o repulsión que ejerce sobre otros materiales, como el hierro (Fe).

Partes de un imán

Eje magnético

Línea que une los dos polos.

Polos

Extremos del imán donde las fuerzas son más intensas.

Línea neutra

Línea que separa las zonas polarizadas.

Tipos de imanes

Naturales

Magnetita ($\ce{Fe3O4}$).

Artificiales permanentes

Materiales magnetizados.

Artificiales temporales

Electroimanes.

Experiencia de Ørsted

Demostró que las corrientes eléctricas crean campos magnéticos.

Experiencia de Faraday-Henry

Demostró que los campos magnéticos pueden crear corrientes eléctricas. Puedes aprender más jugando con esta simulación:

Ambas experiencias pusieron de manifiesto la estrecha relación que existe entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, dando origen al electromagnetismo.