Fuerzas en la Naturaleza y Principios de Hidrostática: Conceptos Clave

Fuerzas: Causa de Deformación, Equilibrio y Movimiento

La fuerza es la causa de la deformación, el equilibrio o el movimiento de los cuerpos. Se clasifica según las siguientes interacciones fundamentales en la naturaleza:

Interacciones Fundamentales en la Naturaleza

1. Fuerza gravitatoria: Es muy débil y actúa a grandes distancias. Gracias a ella, el universo está en equilibrio. Se da entre masas.
2. Fuerzas eléctricas: Son fuertes y actúan a distancias medias. Gracias a ellas, los átomos son estables (el número de electrones es igual al número de protones).
3. Fuerzas nucleares: Son muy fuertes y actúan a distancias muy pequeñas (núcleo). Equilibran las fuerzas de repulsión entre los protones del núcleo. Justifican la unión entre protones y neutrones en el núcleo.
4. Fuerza nuclear débil: Es muy fuerte y actúa a distancias muy cortas. Está relacionada con la radioactividad (existencia de isótopos).

Fuerzas que Provocan Deformación

La fuerza elástica (por ejemplo, en un muelle) es un tipo de fuerza que provoca deformación. Está regida por la ley de Hooke: el alargamiento del muelle es proporcional a la fuerza que se le comunica. Matemáticamente: F = K * Δl, donde:

• F: Fuerza
• K: Constante elástica del muelle
• Δl: Alargamiento del muelle

Condiciones de Equilibrio

Para que un cuerpo esté en equilibrio, se deben cumplir las siguientes condiciones:

• La resultante de las fuerzas aplicadas debe ser nula (igual a 0): R = Σf_i = f₁ + f₂ + f₃... = 0
• La suma de los momentos de las fuerzas aplicadas debe ser nula: ΣM_o = 0

Momento de una fuerza (M_o): Es el producto de la fuerza por la distancia al eje de giro: M_o = F * d

Máquinas Simples

Las máquinas simples son aparatos que permiten realizar trabajo con menos esfuerzo. Algunos tipos son:

Palanca

• 1º género: El fulcro (punto de apoyo) está en el medio.
• 2º género: La resistencia está en el medio.
• 3º género: La potencia está en el medio.

Polea

• Polea fija: Cuelga de un punto fijo y se comporta como una palanca de brazos iguales, con el fulcro en el eje de giro.
• Polea móvil: Se desplaza verticalmente.
• Asociaciones de poleas: Para levantar grandes pesos, se utiliza una asociación de poleas fijas y móviles, o polipasto.

Plano Inclinado

Es una superficie plana que forma un cierto ángulo con la horizontal.

El Torno

Consiste en un cilindro que puede girar alrededor de su eje, con una cuerda enrollada unida a una manivela.

Hidrostática

Concepto de Presión

La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie.

Presión Hidrostática

Es la presión ejercida por un fluido (gas o líquido). Su causa es el propio peso del fluido.

Principio Fundamental de la Hidrostática

La diferencia de presión entre dos puntos de un fluido es proporcional a la densidad del fluido (d), la gravedad (g) y la diferencia de alturas (h_B - h_A): P_B - P_A = d * g * (h_B - h_A)

Principio de Pascal

Toda presión ejercida sobre un fluido se transmite a lo largo del fluido con la misma intensidad y en todas las direcciones: P = F₁/S₁ = F₂/S₂

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.

• Peso del cuerpo: M_cuerpo * g = V_cuerpo * d_cuerpo * g
• Empuje: M_{fluido desalojado} * g = V_{cuerpo sumergido} * d_fluido * g

Situaciones:

1. Peso > Empuje: El cuerpo se hunde. Peso aparente = Peso - Empuje.
2. Empuje > Peso: El cuerpo asciende. Fuerza ascensional = Empuje - Peso.
3. Peso = Empuje: Equilibrio.

Presión Atmosférica

Es la presión que ejerce la atmósfera. A nivel del mar, es igual a 1 atm. Fue medida por Torricelli.

Experimento de Torricelli

Se llena una cubeta con mercurio (Hg). Se llena un tubo largo con Hg y se vuelca sobre la cubeta. La presión atmosférica se calcula como:

Presión atm = d_Hg * g * h_Hg = 13600 kg/m³ * 9.8 m/s² * 0.76 m = 1.013 * 10⁵ Pa = 1 atm = 1013 hPa = 760 mmHg

1 atm = 760 mmHg = 1013 mb = 1,013 bar = 101300 Pa