Title: INTERACCIONES
Course: Física - 3º C.B. > Section: Módulo 1: INTERACCIONES - FUERZAS

En este libro podrás estudiar y entender qué es una fuerza, cuáles son las fuerzas más importantes y cómo se representan las mismas.

Fuerza

En la vida cotidiana usamos la palabra "fuerza". La forma en que la usamos no siempre coincide con el concepto de Fuerza como magnitud física.

Por ejemplo, cuando decimos que los "boxeadores tienen mucha fuerza", cuando una pelota es pateada por Luis Suárez "llega con mucha fuerza al arco".

Estas expresiones cotidianas son erróneas para la Física, porque ponen a la fuerza como una propiedad de los objetos, como podría ser la masa, el volumen, la temperatura.

El concepto Físico de fuerza está relacionado con una interacción. El diccionario de la RAE define interacción como: Acción que se ejerce recíprocamente entre dos o más objetos.

Las fuerzas se aplican, se ejercen. Es incorrecto decir que la Fuerza se tiene.

Representación de las Fuerzas

Las fuerzas son magnitudes vectoriales. Esto significa que para que queden completamente definidas, tienen que ser representadas mediante vectores. Esto significa que tienes que establecer claramente cuatro características: dirección, sentido, módulo y punto de aplicación.

 Convención para la representación gráfica de una fuerza

El vector que representa una fuerza se dibuja a partir del cuerpo que recibe la acción de la fuerza y en la dirección y el sentido en que la fuerza es ejercida.

(*)Material extraído de: http://aulasvirtuales2.ces.edu.uy/pluginfile.php/9054/mod_resource/content/1/actividad_4.html

Fuerzas Fundamentales del Universo

Mira el siguiente video, en él se explican las fuerzas fundamentales de la naturaleza:

El modelo estándar: las 4 fuerzas que gobiernan el Universo

Responde las siguientes consignas:

1. Indica cuáles son las fuerzas fundamentales del Universo.

2. ¿Cuál es el alcance de cada una de ellas?

3. Compara sus valores relativos.

4. Indica sobre qué partículas actúa cada una de ellas.

5. Elabora una justificación de por qué estas fuerzas pueden explicar todas las interacciones en la naturaleza.

Clasificación de fuerzas

Una posible clasificación de las fuerzas es:

- Fuerzas de contacto: son las que se ejercen los cuerpos cuando están en contacto directo.

Estudiaremos las fuerzas: normal, de rozamiento, tensión y la fuerza elástica.

- Fuerzas de interacción a distancia: son las que se ejercen los cuerpos sin necesidad de estar en contacto directo.

Estudiaremos específicamente: el Peso o fuerza gravitatoria, pero también se encuentran la fuerza magnética y la eléctrica.

Fuerzas de contacto

En los subcapítulos siguientes estudiaremos las siguientes fuerzas de contacto:

- Normal

- de fricción o de rozamiento

- Tensión

- Empuje

- Elástica

Fuerza normal

Se representa:

Esta fuerza es ejercida por la superficie de apoyo sobre los cuerpos que se encuentran sobre ella. Su dirección es perpendicular a la superficie.

Ejemplos:

Cuando nos queremos referir al módulo de la fuerza normal escribimos:

De igual forma se escriben los módulos de cada fuerza, colocando a cada lado del símbolo que representa a la fuerza una línea vertical o simplemente poniendo la letra que representa a la fuerza sin la flecha arriba.

Fuerza de rozamiento o fricción

Se representa:

Esta fuerza puede ser ejercida por la superficie de apoyo y es debida a las irregularidades de las superficies que se encuentran en contacto. Se opone a la tendencia  del movimiento de los cuerpos. Su dirección es paralela a la superficie de apoyo. Puede darse el caso de una pelota moviéndose hacia el aro, en este caso también hay fuerza de roce entre la pelota y el aire, aquí la velocidad y fuerza de roce tienen la misma dirección pero sentido opuesto.

Si sobre un cuerpo apoyado en una superficie se le aplica una fuerza que intenta desplazarlo, pero dicho cuerpo no se mueve, quiere decir que sobre el cuerpo está actuando una fuerza de rozamiento o fricción. Si aumentamos la fuerza aplicada y el cuerpo continúa en reposo, quiere decir que la fuerza de roce también aumenta. A esta fuerza de fricción que varía su valor e impide el movimiento de un cuerpo se le denomina: fuerza de fricción estática. El valor de esta fuerza de fricción aumentará hasta un valor máximo, luego cuando el valor de la fuerza que intenta mover al cuerpo supera el valor de la fuerza de rozamiento máximo, el cuerpo comienza a moverse. Este valor máximo de la fuerza de rozamiento estático se puede determinar como F_Re = μ_e . N, siendo μ_e el coeficiente de rozamiento estático ( valor que depende de las superficies en contacto) y N el módulo de la fuerza normal (descripta anteriormente).

Si el valor de la fuerza que intenta mover la cuerpo se hace mayor que el valor de la F_Re máxima, el cuerpo se moverá. Por lo tanto la fuerza de roce sigue actuando sobre el cuerpo de forma tal que se opone a su movimiento pero el cuerpo se mueve. A esta fuerza de rozamiento se le denomina: fuerza de fricción cinética. El módulo de esta fuerza se puede determinar: F_Rc = μ_c . N, siendo μ_c el coeficiente de fricción cinético y N el módulo de la fuerza normal.

La relación entre los coeficientes de fricción estático y cinético entre dos superficies en contacto es: μ_e > μ_c.

Fuerza tensión

Se representa:

Esta fuerza es ejercida por una cuerda tensa sobre el cuerpo que está unido a ella. Su dirección es igual a la dirección de la cuerda. Su valor va a depender de cada situación particular.

Primera imagen es la de una lámpara colgada de una cuerda tensa, la segunda muestra la representación de la fuerza tensión de la cuerda que se encuentra aplicada sobre la lámpara.

La siguiente figura muestra un cartel que cuelga mediante un par de cuerdas tensas y luego la representación de las fuerzas tensión de cada cuerda aplicadas sobre el cartel de madera:

Fuerza empuje

Se representa:

El Principio de Arquímedes tiene que ver con esta fuerza, investiga sobre este Principio.

Esta fuerza es ejercida por un líquido o gas (fluido) sobre un cuerpo que se encuentra total o parcialmente sumergido en el mismo. La dirección de la fuerza empuje es vertical, su sentido es hacia arriba y su módulo es directamente proporcional al volumen del cuerpo sumergido y a la densidad del fluido.

Fuerza elástica

Se representa:

Esta fuerza es aplicada por un cuerpo elástico deformado sobre el cuerpo que provoca la deformación.

En la figura se ve un resorte (cuerpo elástico) que está sujeto por la mano de una persona en tres situaciones diferentes. En la primera el resorte está sin deformar, por lo tanto el mismo no ejerce fuerza elástica sobre la mano.

En la segunda situación la mano estira el resorte y como resultado el resorte aplica sobre la mano la fuerza elástica que se muestra. La dirección de la fuerza elástica depende de la deformación del cuerpo elástico, si la deformación es  longitudinal la fuerza tiene igual dirección pero sentido contrario a la deformación.

Por último, el resorte es comprimido por la mano, por tanto el resorte ejerce sobre la mano una fuerza cuya dirección es la misma que la deformación longitudinal pero en sentido contrario a dicha deformación.

En un resorte, el valor de la fuerza elástica depende de su constante elástica, K, es decir, de las características del mismo, del material que lo constituye, de su geometría y también de la deformación que experimente. El valor de la fuerza se puede determinar: F_E = K . Δl, a esta relación se le llama Ley de Hooke, K es la constante elástica del resorte, Δl es la deformación y F_E el módulo de la fuerza elástica.

Fuerzas de interacción a distancia

De las fuerzas de interacción a distancia sólo nos ocuparemos de la gravitatoria, llamada también peso.

Fuerza Peso o fuerza gravitatoria

Se representa:

Es la fuerza de atracción ejercida por la Tierra (o cualquier otro planeta) sobre los cuerpos que se encuentran cercanos a ella. Su dirección es hacia el centro de la Tierra.

El valor o módulo del peso de un cuerpo varía de un lugar a otro de la Tierra. En las proximidades de los polos, el valor del peso de un cuerpo es mayor que el valor del peso del mismo cuerpo en el ecuador. Eso es debido a que la distancia al centro de la Tierra es menor en los polos que en el ecuador. Esta diferencia en el valor del peso es muy pequeña.

Otras fuerzas de interacción a distancia son la fuerza magnética y la fuerza eléctrica que no se estudiarán en este curso.

Características de una magnitud vectorial (Interactivo)

En el siguiente sitio podrás repasar las características de las magnitudes vectoriales, es un sitio que usa flash, debes darle permitir en tu computadora. Cuando hayas ingresado, haz clic en los números que están arriba a la derecha: enlace

Créditos

Bibliografía consultada:

- HEWITT, P. (2007). Física conceptual. México: Pearson-Addison Weasley.
- ALVARENGA, B., MÁXIMO, A. (1997). Física general. México: Oxford University.

Las imágenes utilizadas fueron tomadas de:

- Fuerza normal: Fuerzas normales que actúan sobre un cuerpo apoyado en diferentes superficies. Autor: Silvia Pedreira. Licencia: CC BY SA 4.0
- Fuerza de rozamiento o fricción: Fuerzas de rozamiento que actúan sobre un cuerpo apoyado en diferentes superficies. Autor: Silvia Pedreira. Licencia: CC BY SA 4.0
- Fuerza tensión: Fondo árabe de lámpara. Autor: Vilmosvarga - Freepik.com. Licencia:  CC BY 4.0
- Fuerza tensión: Wood sign hanging on a rope. Autor: Freepik.com. Licencia: CC BY 4.0
- Fuerza empuje: Fuerza empuje actuando sobre un cuerpo sumergido a diferentes profundidades. Autor: Silvia Pedreira. Licencia: CC BY SA 4.0
- Fuerza elástica: Mano sosteniendo resorte estirado, longitud natural y comprimido. Autor: Zepeda, A.
- Fuerzas de interacción a distancia: Fuerza peso actuando sobre un cuerpo apoyado en diferentes superficies. Autor: Silvia Pedreira: Licencia: CC BY SA 4.0

Videos, páginas y simuladores utilizados:

El Modelo Estándar: las 4 fuerzas que gobiernan el Universo. Date un Vlog. Santaolalla, J. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=crFx3qKFsXI. Licencia estándar de YouTube

Características de una magnitud vectorial: Vectores. Recuperado de: http://www.jcabello.es/documentos/docfisyqui4/def_vector.swf

Autoría del Módulo: Profesora  Silvia Pedreira.
spedreira@uruguayeduca.edu.uy

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Junio de 2017. Actualizado Marzo de 2020.