Conceptos Esenciales sobre Fuerzas y Equilibrio en Física

Definición de Fuerza

Las fuerzas son una magnitud vectorial que se representa mediante el vector F, cuyos elementos son: módulo |F|, dirección, sentido y punto de aplicación. Su unidad es el Newton (N) o kg·m/s², y siempre actúan por parejas. También se llaman interacciones. Una fuerza es la causa capaz de alterar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, o de producir en él una deformación.

Tipos de Fuerzas

• Fuerzas de Contacto: Aquellas que requieren del contacto directo entre ambos objetos para producirse.
• Fuerzas a Distancia: Aquellas que no necesitan del contacto entre los cuerpos para manifestarse.

Interacciones Fundamentales

• Nuclear Fuerte: Es la más intensa, atractiva y de muy corto alcance.
• Electromagnética: Atractiva o repulsiva, y de largo alcance.
• Nuclear Débil: Responsable de la desintegración de núcleos.
• Gravitatoria: La más débil, atractiva y de largo alcance. Responsable de las mareas, entre otros fenómenos.

Composición y Descomposición de Fuerzas

Componer Fuerzas

Consiste en hallar una fuerza llamada fuerza neta o resultante que produce el mismo efecto que todas las fuerzas que actúan simultáneamente sobre un cuerpo.

Descomponer una Fuerza

Consiste en obtener dos fuerzas, llamadas componentes, cuyo efecto conjunto sobre un cuerpo es el mismo que el de la fuerza inicial.

Fuerzas Concurrentes

Son aquellas cuyas líneas de acción pasan por el mismo punto.

• De la misma dirección:
  • Mismo sentido: F = F1 + F2
  • Sentido contrario: F = F2 - F1 (si F2 > F1)
• De distinta dirección: Se suman vectorialmente: F = F1 + F2

Momento de una Fuerza

Es la magnitud vectorial responsable del giro de un cuerpo.

• Módulo: Depende del valor de la fuerza (F) y la distancia (r) al punto de giro.
• Unidad: N·m (Newton-metro).
• Dirección: Perpendicular al plano formado por el vector posición (r) y la fuerza (F).
• Sentido: Determinado por la regla del sacacorchos (o regla de la mano derecha).

Fórmula: M = F · r · sen(α), donde α es el ángulo entre F y r.

Par de Fuerzas

Es un conjunto de dos fuerzas paralelas de igual valor y de sentido contrario. El efecto conjunto de ambas es provocar el giro del cuerpo sobre el que actúan.

• Módulo: Depende del radio (R) del volante y el valor de la fuerza (F).
• Dirección: Perpendicular al plano del volante.
• Sentido: Determinado por el avance de un sacacorchos.

Fórmula: M = 2FR = F · d, donde d es la distancia entre las fuerzas.

Fuerza Resultante

Es aquella que produce el mismo efecto que todas las fuerzas que actúan simultáneamente sobre un cuerpo. Se determina componiendo fuerzas.

Equilibrio

Un objeto está en equilibrio cuando se encuentra en reposo o en movimiento con velocidad constante.

Tipos de Equilibrio

• Estático: Todos los puntos del cuerpo están en reposo.
• Traslacional: Velocidad lineal constante distinta de cero (MRU).
• Rotacional: Gira con velocidad angular constante, aunque actúen fuerzas.

Condiciones de Equilibrio

• Un cuerpo podrá comenzar a trasladarse cuando exista una fuerza resultante (F) sobre él.
• Un cuerpo podrá comenzar a girar cuando exista un momento de fuerza neta (M) sobre él.
• Un cuerpo está en equilibrio si la resultante del sistema de fuerzas y el momento resultante del sistema de fuerzas que actúan sobre él son nulos.

Centro de Gravedad

El centro de gravedad de un objeto es el punto de aplicación de su peso, en el que se encuentra concentrada toda su masa.

Masa

La masa es una propiedad general de los cuerpos que representa su resistencia a alterar su estado de reposo o movimiento.