Conceptos Fundamentales de Dinámica y Leyes de Newton

Definiciones Clave de Fuerzas

Peso

El peso de los objetos es la fuerza con la que la Tierra los atrae.

Fuerza Normal

La fuerza que ejercen las superficies sobre los objetos colocados en ellas. La dirección de la normal siempre es perpendicular a la superficie de contacto.

Tensiones

Las fuerzas ejercidas sobre los objetos mediante cuerdas o cables. Estas fuerzas siempre tienen la dirección de la cuerda o del cable y el sentido correspondiente al estiramiento efectuado.

Fuerza Motriz

La fuerza que origina un movimiento.

Fuerza de Rozamiento

Surge del contacto entre las superficies de los cuerpos, o con el aire. Es una fuerza que siempre tiene la dirección del movimiento, pero en sentido opuesto a él.

Fuerza Centrípeta

Para describir una trayectoria curva es necesaria una fuerza, perpendicular a la trayectoria y con sentido hacia el centro de esta.

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)

Un objeto sometido a una fuerza resultante nula no varía el estado de movimiento que tiene: si está en reposo, seguirá en reposo, y si está en movimiento, mantendrá su velocidad constante indefinidamente, esto es, efectuará un movimiento rectilíneo y uniforme.

Ejercicios de Aplicación

Ejercicio 1

Determina el valor de la fuerza normal que actúa sobre una caja de 50 kg en reposo sobre el suelo. ¿Quién ejerce dicha fuerza normal? ¿Y el peso?

El peso (P) se calcula como: P = m · g = 50 kg · 9.8 m/s² = 490 N

Dado que el objeto está en reposo sobre el suelo, la fuerza resultante (R) es cero. Por lo tanto, la fuerza normal (N) equilibra al peso (P): R = N - P = 0 => N = P = 490 N

La fuerza normal es ejercida por la superficie (el suelo) sobre la caja. El peso es ejercido por la Tierra sobre la caja.

Ejercicio 2

Un motorista con su moto tienen una masa de 150 kg. Si se mueve con MRU y la fuerza de rozamiento de las ruedas con la carretera tiene un valor de 100 N, representa las fuerzas que actúan y calcula los valores de:

1. El peso del motorista con su moto.
2. La fuerza normal que actúa sobre ellos.
3. La fuerza que ejerce el motor.

A) El peso (P) se calcula como: P = m · g = 150 kg · 9.8 m/s² = 1470 N

B) Dado que el movimiento es rectilíneo y uniforme (MRU) en el eje vertical, la fuerza normal (N) equilibra al peso (P): N - P = 0 => N = P = 1470 N

C) Dado que el movimiento es rectilíneo y uniforme (MRU) en el eje horizontal, la fuerza motriz (Fm) equilibra a la fuerza de rozamiento (Fr): Fm - Fr = 0 => Fm = Fr = 100 N

Ejercicio 3

Una grúa sostiene un bloque de piedra de 200 kg de masa mediante un cable. Determina la fuerza que debe ejercer el cable si el bloque:

1. Se mantiene colgado y en reposo.
2. Sube con velocidad constante.
3. Baja con velocidad constante.

A) Si el bloque se mantiene colgado y en reposo, la fuerza resultante (R) es cero. La tensión (T) equilibra al peso (P): R = T - P = 0

El peso (P) se calcula como: P = m · g = 200 kg · 9.8 m/s² = 1960 N

Por lo tanto, la tensión es: T = P = 1960 N

B) Si sube con velocidad constante, la aceleración es cero, por lo que la fuerza resultante también es cero. La tensión sigue equilibrando al peso: T = P = 1960 N

C) Si baja con velocidad constante, la aceleración es cero, por lo que la fuerza resultante también es cero. La tensión sigue equilibrando al peso: T = P = 1960 N

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

Un objeto sobre el que la fuerza resultante de las fuerzas que actúan es distinta de cero, experimenta una aceleración que es directamente proporcional a dicha resultante, siendo el coeficiente de proporcionalidad la masa del objeto.

Ejercicios de Aplicación

Ejercicio 1

Una patinadora de 60 kg ejerce con sus músculos una fuerza motriz de 500 N para desplazarse en línea recta sobre una pista horizontal. Sabiendo que la fuerza de rozamiento equivale a 300 N, representa las fuerzas que actúan sobre la patinadora y determina:

1. El valor de su peso y el de la fuerza normal.
2. El valor de la fuerza resultante.
3. El valor de la aceleración que lleva.

A) El peso (P) de la patinadora se calcula como: P = m · g = 60 kg · 9.8 m/s² = 588 N

El valor de la fuerza normal (N) es igual al peso, ya que no hay movimiento vertical: N = P = 588 N

B) La fuerza resultante (R) en la dirección del movimiento es la diferencia entre la fuerza motriz (Fm) y la fuerza de rozamiento (Fr): R = Fm - Fr = 500 N - 300 N = 200 N

C) Según la Segunda Ley de Newton (R = m · a), la aceleración (a) se calcula como: a = R / m = 200 N / 60 kg ≈ 3.33 m/s²