Conceptos Básicos de las Fuerzas y Leyes de Newton

Conceptos Básicos de las Fuerzas y su Aplicación en la Física

Definición de Fuerza

Se denomina fuerza a toda acción capaz de cambiar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, o de producir en él una deformación. Según el efecto que produce la fuerza sobre los cuerpos sólidos, podemos clasificarlos en:

• Sólidos rígidos: No cambian de forma al aplicarles una fuerza.
• Sólidos plásticos: Cambian de forma al aplicarles una fuerza y no recuperan su forma original cuando esta cesa.
• Sólidos elásticos: Cambian su forma al aplicarles una fuerza y recuperan su forma original cuando esta cesa.

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo que para que esté bien definida necesitamos conocer:

• El punto de aplicación (se considera el centro del cuerpo).
• El módulo o intensidad de la fuerza.
• La dirección.
• El sentido.

Como toda magnitud física, para que esté bien definida debemos dar su unidad. En el Sistema Internacional, la fuerza se mide en newtons (N). Un newton es la fuerza que, aplicada a una masa de 1 kg, le comunica una aceleración de 1 m/s².

Ley de Hooke (Sólidos Elásticos)

Tras varias experiencias realizadas para observar la deformación de los sólidos elásticos, se llevó a cabo una basada en un muelle y una regla graduada. Se observó que, conforme se añadía peso en el extremo del muelle, la fuerza aplicada era proporcional a la deformación sufrida.

La ley de Hooke establece que la deformación de un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada.

Cada cuerpo sólido elástico tiene un límite de elasticidad. Si este límite es superado, el cuerpo puede quedar deformado permanentemente.

F = K · (l - l₀)

Donde:

• F es la fuerza aplicada.
• K es la constante elástica del material.
• l es la longitud final del cuerpo.
• l₀ es la longitud inicial del cuerpo.

Fuerza Resultante de un Sistema

Sobre un cuerpo, normalmente actúan varias fuerzas. Se denomina sistema de fuerzas al conjunto de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. El efecto producido por el sistema de fuerzas es equivalente al producido por una sola fuerza imaginaria que denominamos fuerza resultante, la cual se calcula haciendo la suma vectorial de todas las fuerzas del sistema.

Movimiento de un Par de Fuerzas

Cuando sobre un sólido o líquido se aplican dos fuerzas paralelas de sentido contrario en distintos puntos del mismo, el cuerpo experimenta un movimiento de rotación. Definimos par de fuerzas a un sistema formado por dos fuerzas paralelas de la misma intensidad y sentido contrario aplicadas a un cuerpo en distintos puntos. La distancia entre ambos puntos se denomina brazo del par. La fuerza resultante de este movimiento de rotación se caracteriza por una nueva magnitud física llamada momento del par de fuerzas, una magnitud vectorial que se define como:

M = r · F

Donde r es el vector que va desde el centro del brazo al punto de aplicación de la fuerza, F es una de las fuerzas del par, y la operación entre ellas se denomina producto vectorial.

Leyes de Newton

En el siglo XVII, el científico Isaac Newton formuló las leyes que rigen la dinámica. Gracias a ellas, podemos predecir cómo se mueven los cuerpos a partir de su estado de movimiento inicial y las fuerzas que actúan sobre él. Estas leyes, o principios de la dinámica, son:

Primera Ley o Ley de Inercia

Un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza, o la resultante de estas es cero, se encuentra siempre en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme (MRU).

Segunda Ley o Ley Fundamental de la Dinámica

Si sobre un cuerpo actúan una o varias fuerzas de modo que la fuerza resultante es distinta de cero, el cuerpo adquiere una aceleración que tiene la misma dirección y sentido que la fuerza resultante, y su valor es directamente proporcional al valor de dicha fuerza, siendo la constante de proporcionalidad la masa del cuerpo.

Σ F_i = m · a

Esta segunda ley podemos expresarla en función de otra magnitud física denominada movimiento lineal o cantidad de movimiento (p). El movimiento lineal de un cuerpo es el producto de su masa por su velocidad.

p = m · v

La cantidad de movimiento es una magnitud vectorial que tiene la misma dirección y sentido que la velocidad del cuerpo. Su valor es directamente proporcional a la velocidad, siendo la constante de proporcionalidad la masa del cuerpo. Teniendo en cuenta esta magnitud, podemos escribir la segunda ley de Newton diciendo que la resultante de todas las fuerzas aplicadas sobre un cuerpo es igual a la variación de la cantidad de movimiento del cuerpo en un intervalo de tiempo, dividida entre dicho intervalo de tiempo.

Σ F = (p - p₀) / (t - t₀)