¿Qué es una fuerza? ¿Cómo se relaciona con el movimiento?

¿Qué es una fuerza? ¿Cómo se relaciona con el movimiento?
Prof. Bartolomé Yankovic Nola, 2012
Cuando pateamos una pelota o empujamos una mesa, podemos afirmar que se
está ejerciendo o se ha ejercido una fuerza. PERO AFIRMAR QUE PARA QUE SE
PRODUZCA UN MOVIMIENTO ES NECESARIA EJERCER UNA FUERZA… es un error. Una
fuerza puede poner un cuerpo en movimiento o detenerlo. Entonces, fuerza es aquello
que cambia el estado de movimiento o reposo de un cuerpo.
Dos mujeres empujan un automóvil
para ponerlo en movimiento. Ellas están
ejerciendo una fuerza – de contacto - sobre el
vehículo.
En algunos casos las fuerzas son
evidentes, como, por ejemplo, en la
pelota que rueda por la cancha y que
acaba de ser lanzada por un jugador. El
jugador ha efectuado una fuerza directamente sobre la pelota y ésta se ha puesto en
movimiento. Estas fuerzas se llaman fuerzas de contacto.
En otros casos las fuerzas son más difíciles de observar. Por ejemplo, las fuerzas
que actúan sobre los planetas del sistema solar y que los mantienen girando en torno al
Sol son fuerzas más complejas. Se llaman fuerzas a distancia.
Del mismo modo, la fuerza que mueve un automóvil es el resultado de una serie de
transformaciones que tienen lugar en el motor del vehículo y que se relacionan con la
mayor potencia del vehículo. En rigor, el acelerador del auto aumenta o disminuye la
cantidad de combustible que llega al carburador, y así, controla la rapidez con que se
transforma le energía química del combustible en energía mecánica.
¿Una fuerza inexistente?
Supongamos un carrito de juguete que se desplaza sobre una mesa. Una persona
empuja el carro de tal forma que éste rueda uniformemente. Aquí es posible identificar
cuatro fuerzas:
- Una hacia delante, que es ejercida por una persona que acciona el carrito;
- Una hacia atrás, la fuerza del roce, ejercida por la mesa;
- Una hacia abajo, el peso, que es ejercida por la Tierra;
- Una hacia arriba, que es ejercida por la mesa.
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Analicemos un segundo caso: la persona da un impulso inicial al carrito. Cuando
este objeto es impulsado, empieza a moverse en determinada dirección.
¿Qué fuerzas actúan sobre el carrito en este caso?
Una hacia delante, que es ejercida por una persona que acciona
el carrito;
Una hacia atrás, la fuerza del roce, ejercida por la mesa;
Una hacia abajo, el peso, que es ejercida por la Tierra;
Una hacia arriba, que es ejercida por la mesa.
Veamos una tercera situación. Una persona da un impulso inicial al carrito.
Entonces, el carrito rueda sobre la mesa y se va deteniendo poco a poco.
¿Qué fuerzas han actuado sobre el carrito después del impulso inicial?
Una, hacia atrás, el roce, que es ejercida por la mesa y que tiene
como resultado que el carrito se vaya deteniendo, poco a poco;
Otra, hacia abajo, el peso, que es una fuerza ejercida por la
Tierra;
Otra, hacia arriba, ejercida por la mesa y que impide que el
carrito se hunda.
Contrariamente a la creencia de la mayoría, en este caso no hay ninguna fuerza
actuando sobre el carrito hacia adelante. Para aclarar esto basta preguntarse quién
podría estar ejerciendo una fuerza hacia delante:
- La persona que dio el impulso inicial, ya no tiene contacto con el objeto
mientras este se mueve sobre la mesa;
- El propio carrito no puede ser porque un cuerpo no puede ejercer fuerza sobre
sí mismo;
- La mesa ejerce dos fuerzas sobre el carrito – una hacia arriba, otra hacia atrás -,
pero no ejerce fuerza alguna hacia delante;
- La Tierra también ejerce una fuerza, pero hacia abajo.
Entonces, hay que convencerse: el carrito se mueve sin que nadie esté
ejerciendo sobre él una fuerza hacia delante. En otras palabras, cuando el carrito va
rodando sobre la mesa no actúa sobre él ninguna fuerza hacia delante. Entonces, de esto
deriva una importante conclusión:
Para que un cuerpo esté en movimiento no es necesario que haya una fuerza
actuando sobre él en la misma dirección del movimiento. En algunos casos puede
existir una fuerza hacia adelante; por ejemplo, en un carro tirado por caballos…
pero también puede suceder que no haya ninguna fuerza hacia delante, como en
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el ejemplo ya descrito del carrito que recibe un impulso inicial… y sigue
moviéndose sin que nadie lo empuje. Entonces, se comete un error cuando se
afirma que un cuerpo solo se mueve si sobre él actúa una fuerza.
• Para que un cuerpo esté en movimiento no es necesario que haya
una fuerza actuando sobre él en la misma dirección del movimiento.
• En algunos casos puede existir una fuerza hacia adelante; por
ejemplo, en un carro tirado por caballos… pero también puede
suceder que no haya ninguna fuerza hacia delante, como en el
ejemplo ya descrito del carrito que recibe un impulso inicial… y sigue
moviéndose sin que nadie lo empuje.
• Entonces, se comete un error cuando se afirma que un cuerpo solo
se mueve si sobre él actúa una fuerza.
Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo influyen en su movimiento. Por ejemplo,
pueden modificar la rapidez con que se mueve el cuerpo o pueden hacerlo cambiar de
dirección.
Se necesita una fuerza para poner en movimiento a un cuerpo que está en
reposo, o para detener el cuerpo que está en movimiento. Es necesaria una fuerza para
aumentar la rapidez de un objeto. Y es necesaria una fuerza para disminuir su velocidad.
La nueva concepción
“Según la concepción tradicional, en ausencia de fuerzas, todo cuerpo en
movimiento se detiene más tarde o más temprano. Según la concepción moderna (*), en
ausencia de fuerzas, todo cuerpo en movimiento continúa moviéndose indefinidamente”
(*) Muñoz, Héctor (1992). Física, Primero Medio. Ediciones pedagógicas chilenas, Santiago. Pág. 55.
La concepción tradicional afirmaba que las fuerzas son la causa del movimiento;
la nueva concepción ve a las fuerzas como la causa de las variaciones de velocidad.
Los elementos de una fuerza
Consideremos los movimientos de un jugador de billar. Unas veces toma el taco y
golpea la bola en un lado. El jugador sabe muy bien que, según el lugar en que golpee la
bola, es decir, según el punto en el cual ejerza su fuerza, los resultados de la jugada serán
diferentes.
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Al estudiar una fuerza es muy
importante saber en qué lugar se ha
aplicado. Este lugar se llama punto de
aplicación de la fuerza. Sigamos
observando los movimientos del jugador
de billar: al mover el taco, puede impulsar
la bola hacia un lugar u otro, para lo cual
se coloca en un punto de la mesa. Lo que
le interesa es que la bola tenga una determinada dirección. Así, pues, también es
fundamental saber en qué dirección se ejerce una fuerza.
La dirección de una fuerza es la línea recta en la cual se aplica dicha fuerza. El
punto de aplicación es, por lo tanto, un punto de la línea recta que marca la dirección. Por
otra parte, dentro de la dirección elegida la bola se puede mandar a la derecha o a la
izquierda.
En toda dirección puede haber dos sentidos opuestos. Para saber cómo es
exactamente la fuerza que el jugador ha ejercido necesitamos saber en qué sentido se ha
ejercido la fuerza. En este caso necesitaríamos saber si el jugador ha lanzado la bola hacia
la izquierda o hacia la derecha.
Por último, el jugador puede ejercer más o menos fuerza sobre el taco al dar el
golpe. La fuerza quedará totalmente determinada, si, además de los anteriores elementos,
conocemos su intensidad. La intensidad nos indica si una fuerza es mayor o menor.
Entonces, para conocer perfectamente una fuerza y, por consiguiente, los efectos
que puede ejercer sobre un cuerpo, es preciso determinar su punto de aplicación,
dirección, sentido e intensidad.
Una persona empuja…
Además de su intensidad,
la fuerza tiene un punto de
aplicación, dirección, y
sentido.
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Resumiendo: se llama punto de aplicación al lugar del cuerpo donde se aplica la
fuerza. La dirección queda señalada por la recta según la cual se manifiesta la fuerza. El
sentido es el lugar hacia donde se dirige el esfuerzo, si éste es suficiente, el cuerpo se
mueve. En toda dirección hay dos sentidos opuestos. La intensidad es el valor de la fuerza
que actúa.
En el dibujo representamos a fuerzas de igual dirección – A y B - pero con sentido e
intensidad distintos. B tiene mayor intensidad que A.
A B
La representación gráfica de las fuerzas
Una vez conocidos los elementos de una fuerza (dirección, punto de aplicación y
sentido), parece evidente que su representación debe ser una flecha.
El origen de la flecha indica el punto de aplicación de la fuerza.
La línea recta a la que pertenece la flecha coincide con la dirección de la fuerza. El
extremo de la flecha nos indica el sentido, puesto que en una misma dirección puede
haber dos sentidos opuestos. Así, por ejemplo, las fuerzas a y b de la ilustración tienen la
misma dirección, pero sus sentidos son opuestos.
Por último, la longitud de la flecha mide exactamente la intensidad de la fuerza.
Cuando más larga sea la flecha, mayor será la intensidad de la fuerza. Entonces, en el
ejemplo, la intensidad de la fuerza a es mayor que la intensidad de b. En estas fuerzas, A y
B son los puntos de aplicación.
• Otros ejemplos se presentan en los dibujos:
La fuerza A tiene la misma dirección y sentido que la fuerza B,
pero la intensidad de B es mayor;
La fuerza C y D tienen la misma dirección, pero distinto
sentido. Además, la fuerza D tiene mayor intensidad que C.
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E y F tienen la misma intensidad, pero diferente dirección y
sentido.
En el Sistema Internacional de Unidades la intensidad de una fuerza se mide en
newtons (N).
Síntesis
• Fuerza es aquello que cambia el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo.
¡No es la causa del movimiento!
• Toda fuerza viene definida por su punto de aplicación, su intensidad, su dirección y
su sentido.
• En el Sistema Internacional de Unidades la intensidad de una fuerza se mide en
newton (N).
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