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Fuerzas y leyes de Newton

Física · Fuerzas y leyes de Newton

Fuerza neta

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Pregunta esencial

¿Cómo combinamos todas las fuerzas sobre un objeto?

Un objeto puede tener muchas fuerzas actuando sobre él, pero solo responde a su total. Al terminar esta lección, deberías poder sumar fuerzas en una dimensión usando signos, escribir una ecuación de la fuerza neta a partir de un diagrama de cuerpo libre y usar la fuerza neta para predecir el movimiento.

El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.

¿Qué es la fuerza neta?

  • El total de todas las fuerzas
  • Símbolo: Fnet
  • Decide cómo cambia el movimiento
Una flecha negra con la etiqueta 30 N seguida punta con cola por una flecha negra con la etiqueta 20 N, las dos apuntan a la derecha. Abajo, una flecha azul tan larga como las dos juntas, con la etiqueta F_net = 50 N. Leyenda: dos empujones a la derecha se suman.

La fuerza neta, Fnet, es el total de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto. Como las fuerzas son vectores, las sumamos punta con cola. Si empujas una caja a la derecha con 30 N y un amigo también empuja a la derecha con 20 N, la fuerza neta es de 50 N a la derecha. La fuerza neta es lo que realmente decide cómo cambia el movimiento del objeto.

Los signos muestran la dirección

  • Derecha y arriba: positivo (+)
  • Izquierda y abajo: negativo (−)
  • Suma las fuerzas con sus signos
Un par de ejes. El eje horizontal tiene un signo de más en el extremo derecho y un signo de menos en el extremo izquierdo. El eje vertical tiene un signo de más arriba y un signo de menos abajo.

En una dimensión, usamos signos para mostrar la dirección. Las fuerzas que apuntan a la derecha o hacia arriba son positivas. Las fuerzas que apuntan a la izquierda o hacia abajo son negativas. Para encontrar la fuerza neta, escribe cada fuerza con su signo y suma todas. El signo de la respuesta te dice la dirección de la fuerza neta.

Direcciones opuestas

  • Las fuerzas opuestas se cancelan en parte
  • Usa signos + y −
  • La neta apunta hacia la fuerza mayor
Una caja con una flecha negra a la derecha con la etiqueta 50 N y una flecha negra más corta a la izquierda con la etiqueta 30 N. Abajo, una flecha azul corta que apunta a la derecha con la etiqueta F_net = 20 N. Ecuación: +50 N + (−30 N) = +20 N.

Cuando las fuerzas apuntan en direcciones opuestas, se cancelan en parte. Ponle signo negativo a la fuerza hacia la izquierda y suma: +50 N + (−30 N) = +20 N. La fuerza neta es de 20 N, y el signo positivo nos dice que apunta a la derecha, hacia la fuerza mayor.

Balanceadas y no balanceadas

  • Balanceadas: Fnet = 0
  • No balanceadas: Fnet ≠ 0
  • Las fuerzas no balanceadas cambian la velocidad
Arriba: una caja con flechas iguales de 40 N a la izquierda y a la derecha, con la leyenda balanceadas, F_net = 0. Abajo: una caja con una flecha de 60 N a la derecha y una flecha más corta de 40 N a la izquierda, con la leyenda no balanceadas, F_net = 20 N a la derecha.

Si las fuerzas suman cero, están balanceadas y la fuerza neta es cero. Si no suman cero, están no balanceadas. Solo una fuerza no balanceada, es decir, una fuerza neta distinta de cero, puede cambiar la velocidad de un objeto. En la caja de abajo, 60 N a la derecha y 40 N a la izquierda dejan una fuerza neta de 20 N a la derecha.

Cómo escribir la ecuación de la fuerza neta

  • Una ecuación por dirección
  • Horizontal: Fnet = Fapp − Ff
  • Vertical: Fnet = FN − Fg
Un diagrama de cuerpo libre de una caja que se empuja: F_N hacia arriba y F_g hacia abajo son iguales, F_app a la derecha es más larga que F_f a la izquierda. Leyenda: + derecha, + arriba.

Para escribir una ecuación de la fuerza neta, mira el diagrama de cuerpo libre una dirección a la vez. Las fuerzas que apuntan en la dirección positiva llevan signo más, y las que apuntan al otro lado llevan signo menos. Para una caja que se empuja por el piso, la ecuación horizontal es Fnet = Fapp − Ff, y la ecuación vertical es Fnet = FN − Fg. Aquí las fuerzas verticales se cancelan, así que toda la fuerza neta es horizontal.

Cómo predecir el movimiento

  • Fnet = 0: la misma velocidad
  • Fnet con v: la rapidez aumenta
  • Fnet contra v: la rapidez disminuye
Tres filas, cada una con una caja, una flecha gris de velocidad que apunta a la derecha y una flecha azul de fuerza neta. Fila 1: sin flecha de fuerza neta, con la etiqueta v constante. Fila 2: la flecha de fuerza neta apunta a la derecha, con la etiqueta la rapidez aumenta. Fila 3: la flecha de fuerza neta apunta a la izquierda, con la etiqueta la rapidez disminuye. Clave: gris es v, azul es F_net.

La fuerza neta te dice cómo va a cambiar la velocidad de un objeto. Si Fnet = 0, la velocidad se mantiene igual: el objeto sigue en reposo o sigue moviéndose con velocidad constante. Si la fuerza neta apunta hacia donde se mueve el objeto, su rapidez aumenta. Si la fuerza neta apunta en sentido opuesto al movimiento, su rapidez disminuye.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Cómo empujar un coche descompuesto

Dos estudiantes empujan un coche descompuesto hacia el este, uno con 250 N y el otro con 310 N. La fricción sobre el coche es de 480 N al oeste. ¿Cuál es la fuerza neta sobre el coche?

Un coche con dos flechas negras que apuntan al este con las etiquetas 250 N y 310 N, y una flecha verde que apunta al oeste con la etiqueta 480 N.
Mostrar la solución
  1. Elige el positivo: el este es +, así que el oeste es −
  2. Fuerzas con signos: +250 N, +310 N, −480 N
  3. Suma: Fnet = +250 N + 310 N + (−480 N) = +80 N
  4. Respuesta: Fnet = 80 N al este. El coche aumenta su rapidez hacia el este.

Ejemplo 2: Jalar la cuerda

En un juego de jalar la cuerda, el equipo A jala la cuerda al oeste con 845 N. El equipo B la jala al este con 790 N. Encuentra la fuerza neta sobre la cuerda. ¿Hacia dónde empieza a moverse la cuerda?

Mostrar la solución
  1. Elige el positivo: el este es +, así que el oeste es −
  2. Fuerzas con signos: Equipo A: −845 N. Equipo B: +790 N.
  3. Suma: Fnet = −845 N + 790 N = −55 N
  4. Respuesta: Fnet = 55 N al oeste. La cuerda empieza a moverse al oeste, hacia el equipo A.

Ejemplo 3: Cómo levantar una viga

El cable de una grúa jala hacia arriba una viga de acero de 4,520 N con una tensión de 4,850 N. Encuentra la fuerza neta sobre la viga. Si la viga empieza en reposo, ¿qué pasa?

Mostrar la solución
  1. Elige el positivo: arriba es +, así que abajo es −
  2. Fuerzas con signos: FT = +4,850 N. Fg = −4,520 N.
  3. Escribe la ecuación: Fnet = FT − Fg = 4,850 N − 4,520 N
  4. Respuesta: Fnet = 330 N hacia arriba. La viga empieza en reposo, así que aumenta su rapidez mientras sube.

Ejemplo 4: Un carrito que rueda

Una persona empuja un carrito del súper hacia el este con 35 N mientras la fricción actúa sobre él con 35 N al oeste. El carrito ya se está moviendo hacia el este. Encuentra la fuerza neta y describe el movimiento del carrito.

Mostrar la solución
  1. Elige el positivo: el este es +, así que el oeste es −
  2. Suma las fuerzas: Fnet = +35 N + (−35 N) = 0 N
  3. Aplica la primera ley: Una fuerza neta de cero significa que la velocidad no cambia.
  4. Respuesta: Fnet = 0 N. El carrito sigue rodando al este con velocidad constante.

Una fuerza neta de cero no significa que el carrito se detenga. Significa que nada de su movimiento cambia.

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Práctica

Suma fuerzas en una dimensión con signos + y −, escribe ecuaciones de la fuerza neta a partir de diagramas de cuerpo libre y usa la fuerza neta para predecir si un objeto aumenta su rapidez, la disminuye o mantiene una velocidad constante. Primero inténtalo por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas. Los PDF están en inglés.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Fuerza neta: la suma de todas las fuerzas, con signos
  • Balanceadas: Fnet = 0. No balanceadas: Fnet ≠ 0
  • Escribe Fnet a partir del diagrama de cuerpo libre
  • Fnet = 0 significa velocidad constante

De vuelta a la pregunta esencial: combinamos las fuerzas sumándolas como vectores, con signos + y − para la dirección, para obtener la fuerza neta. Si la fuerza neta es cero, la velocidad se mantiene igual. Si no lo es, la rapidez del objeto aumenta o disminuye. A continuación, la segunda ley de Newton nos dirá exactamente cuánto acelera un objeto con una fuerza neta dada.

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Alineación con NGSS

Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):

  • HS-PS2-1: Analizar datos para respaldar la afirmación de que la segunda ley del movimiento de Newton describe la relación matemática entre la fuerza neta sobre un objeto macroscópico, su masa y su aceleración.

Ideas disciplinarias básicas: PS2.A Fuerzas y movimiento

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