Fundamentos de las Fuerzas y las Leyes de Newton
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Concepto de Fuerza y sus Efectos
Una fuerza es una magnitud física que altera el estado de equilibrio de los cuerpos y puede producir sobre ellos dos efectos:
- Cambiar la velocidad: si un cuerpo está en reposo, comienza a moverse; si está en movimiento, cambia su rapidez.
- Provocar deformaciones.
Ley de Hooke y Deformaciones
La Ley de Hooke establece que la deformación que sufre un cuerpo sólido debido a la acción de una fuerza es directamente proporcional a la intensidad de dicha fuerza y al material que lo compone. Los sólidos se clasifican en:
- Sólidos rígidos: no se deforman por la acción de fuerzas.
- Sólidos deformables: modifican su forma por la acción de fuerzas. Estos a su vez pueden ser:
- Plásticos: mantienen la deformación.
- Elásticos: recuperan su forma inicial.
La deformación de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que la produce, expresado matemáticamente como: F = k · Δl
Características Vectoriales de la Fuerza
Una fuerza es una magnitud vectorial, lo que implica que posee:
- Dirección: la recta que contiene al vector.
- Sentido: indicado por la flecha del vector.
- Punto de aplicación: el origen del vector.
- Módulo: la longitud del segmento, proporcional al valor de la fuerza.
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI) es el newton (N). Un newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s2.
Tipos de Fuerzas
Las fuerzas se clasifican en dos tipos principales:
- Fuerzas de contacto directo: aquellas que requieren contacto físico entre los cuerpos.
- Fuerzas a distancia:
- Origen gravitatorio: debidas a la gravedad, como el peso.
- Origen electromagnético: debidas a la presencia de cargas eléctricas.
Masa y Peso
La masa (m) es una medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Su unidad en el SI es el kilogramo (kg) y su valor es invariable, independientemente de su posición en el espacio.
El peso (p) es la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre un cuerpo. Siempre está dirigido hacia el centro de la Tierra y se calcula como el producto de la masa por la aceleración de la gravedad (g): P = mg
Fuerzas Concurrentes y Paralelas
Cuando dos o más fuerzas actúan simultáneamente sobre un cuerpo, se pueden clasificar en:
- Fuerzas concurrentes: son fuerzas aplicadas a un sólido rígido cuyas líneas de acción se cortan en un punto.
- Fuerzas paralelas: son fuerzas aplicadas a un sólido rígido cuyas líneas de acción son paralelas y el sólido no es una masa puntual.
Leyes de Newton
Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)
Si sobre un cuerpo no actúan fuerzas externas o si la resultante de las fuerzas es nula, el cuerpo se mantendrá en reposo si estaba en reposo, o continuará moviéndose con velocidad constante si estaba en movimiento.
Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)
La aceleración (a) de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza resultante (Fr) que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa (m): a = Fr/m o, equivalentemente, Fr = ma.
Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)
Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B (acción), el cuerpo B reacciona sobre el cuerpo A con una fuerza de igual valor y dirección, pero de sentido contrario (reacción): Fba = -Fab.
Rozamiento
La fuerza de rozamiento (Fr) es la fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto.
Coeficiente de Rozamiento
El coeficiente de rozamiento (μ) es un valor adimensional que depende de la naturaleza de las superficies en contacto.
Intensidad de la Fuerza de Rozamiento
La intensidad de la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos que se deslizan es igual al producto del coeficiente de rozamiento por la fuerza normal (N): Fr = μN