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Fuerzas y leyes de Newton

Física · Fuerzas y leyes de Newton

Tipos de fuerzas

En esta lección

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Pregunta esencial

¿Qué empujones y jalones actúan sobre los objetos de todos los días?

En la lección anterior vimos que una fuerza no balanceada es lo que cambia el movimiento de un objeto. Al terminar esta lección, deberías poder nombrar las fuerzas más comunes, decir qué causa cada una y clasificarlas en fuerzas de contacto y fuerzas a distancia.

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

¿Qué es una fuerza?

  • Un empujón o un jalón
  • Tiene tamaño y dirección
  • Se mide en newtons (N)
Arriba: una flecha con la etiqueta empujón apunta hacia el lado izquierdo de una caja. Abajo: una flecha con la etiqueta jalón se aleja del lado derecho de una caja. Leyenda: 1 N es más o menos el peso de una manzana pequeña.

Una fuerza es un empujón o un jalón sobre un objeto. La fuerza es un vector, así que tiene tamaño y dirección. Medimos la fuerza en newtons (N). Un newton es más o menos el peso de una manzana pequeña en tu mano.

Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia

  • Contacto: los objetos tienen que tocarse
  • A distancia: actúan a través de un espacio
  • La gravedad actúa sin tocar
Dos tarjetas. La tarjeta cian con el título Contacto enumera normal, fricción, tensión, aplicada, resistencia del aire y flotación. La tarjeta rosa con el título A distancia enumera gravedad, magnética y eléctrica. Leyenda: las fuerzas a distancia no necesitan tocar.

Las fuerzas de contacto solo actúan cuando dos objetos se tocan. La fuerza normal, la fricción, la tensión, la fuerza aplicada, la resistencia del aire y la fuerza de flotación son fuerzas de contacto. Las fuerzas a distancia (también llamadas fuerzas de campo) actúan a través del espacio vacío. La gravedad es la que sientes todos los días, y las fuerzas magnéticas y eléctricas también actúan a distancia.

Fuerza gravitacional

  • La Tierra jala los objetos hacia ella
  • También se llama peso
  • Símbolo: Fg
Una pelota en el aire sobre el suelo con una flecha roja que empieza en su centro y apunta directo hacia abajo, con la etiqueta F_g. Leyenda: la Tierra jala incluso sin tocar.

La fuerza gravitacional es el jalón de la Tierra sobre un objeto. También la llamamos el peso del objeto, y la escribimos como Fg. La gravedad es una fuerza a distancia, así que actúa incluso cuando el objeto no está tocando el suelo. Cerca de la Tierra, siempre apunta directo hacia abajo, hacia el centro de la Tierra.

Fuerza normal

  • Una superficie empuja un objeto
  • Perpendicular a la superficie
  • Símbolo: FN
Una caja está en el suelo. Una flecha azul empieza en el centro de la caja y apunta directo hacia arriba, con la etiqueta F_N. Leyenda: normal significa perpendicular.

Cuando un objeto presiona una superficie, la superficie lo empuja de regreso. Ese empujón es la fuerza normal, FN. En matemáticas, “normal” significa perpendicular, así que la fuerza normal siempre sale de la superficie en línea recta, con un ángulo de 90°. Para una caja en un piso plano, la fuerza normal apunta directo hacia arriba.

Fricción

  • Se opone al deslizamiento
  • Paralela a la superficie
  • Símbolo: Ff
Una caja se desliza a la derecha sobre el suelo, lo que muestra una flecha gris de velocidad con la etiqueta v. Una flecha verde empieza en el centro de la caja y apunta a la izquierda, con la etiqueta F_f. Leyenda: la fricción apunta en sentido opuesto al deslizamiento.

La fricción, Ff, es la fuerza que una superficie ejerce sobre un objeto que se desliza (o que intenta deslizarse) sobre ella. La fricción actúa paralela a la superficie y apunta en sentido opuesto al deslizamiento. Si una caja se desliza a la derecha, la fricción sobre la caja apunta a la izquierda. Las superficies más ásperas y los objetos más pesados normalmente significan más fricción.

Tensión

  • Un jalón a través de una cuerda o un cable
  • Siempre jala, nunca empuja
  • Símbolo: FT
Un bloque cuelga del techo de una cuerda. Una flecha negra empieza en el centro del bloque y apunta hacia arriba a lo largo de la cuerda, con la etiqueta F_T. Leyenda: la cuerda jala el bloque hacia arriba.

La tensión, FT, es la fuerza de jalón de una cuerda, un hilo, una cadena o un cable. La tensión siempre jala a lo largo de la cuerda, alejándose del objeto. Una cuerda no puede empujar. Intenta empujar algo con un pedazo de hilo y verás por qué.

Fuerza aplicada

  • Un empujón o un jalón que tú aplicas
  • Una fuerza de contacto
  • Símbolo: Fapp
Una figura de palitos empuja una caja a la derecha. Una flecha negra empieza en el centro de la caja y apunta a la derecha, con la etiqueta F_app. Leyenda: la mano empuja la caja.

Una fuerza aplicada, Fapp, es un empujón o un jalón que una persona u otro objeto pone directamente sobre algo, como tu mano que empuja una caja, un pie que patea un balón o un bat que golpea una pelota de beisbol. Apunta en la dirección en que va el empujón o el jalón.

Resistencia del aire y flotación

  • La resistencia del aire se opone al movimiento a través del aire
  • Fuerza de flotación: un fluido empuja hacia arriba
  • Las dos son fuerzas de contacto
Izquierda: una pelota que cae con una flecha gris de velocidad que apunta hacia abajo y una flecha gris de fuerza que apunta hacia arriba desde su centro, con la etiqueta F_air. Derecha: un bloque que flota en el agua con una flecha azul que apunta hacia arriba desde su centro, con la etiqueta F_B.

La resistencia del aire es el empujón del aire contra un objeto que se mueve a través de él. Apunta en sentido opuesto al movimiento, así que en una pelota que cae apunta hacia arriba. En el fondo es un tipo de fricción con el aire. La fuerza de flotación, FB, es el empujón hacia arriba que un fluido como el agua o el aire le da a un objeto que está dentro de él. Es lo que mantiene a flote los barcos y hace subir los globos de helio.

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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: Un libro sobre un escritorio

Un libro descansa sobre un escritorio. Nombra cada fuerza que actúa sobre el libro, qué la ejerce y su dirección.

Mostrar la solución
  1. Fuerzas de contacto: Solo el escritorio toca el libro. El escritorio lo empuja hacia arriba, así que hay una fuerza normal.
  2. Fuerzas a distancia: La Tierra jala el libro hacia abajo con la gravedad.
  3. ¿Algo más?: Nada empuja, jala ni desliza el libro, así que no hay fuerza aplicada ni fricción.
  4. Respuesta: La gravedad (Fg), ejercida por la Tierra, que apunta hacia abajo, y la fuerza normal (FN), ejercida por el escritorio, que apunta hacia arriba.

Ejemplo 2: Un papalote en el aire

Un papalote vuela sujeto a un hilo en un día con viento. Enumera las fuerzas sobre el papalote. ¿Cada una es una fuerza de contacto o una fuerza a distancia?

Mostrar la solución
  1. Gravedad: La Tierra jala el papalote hacia abajo. Esta es una fuerza a distancia.
  2. Tensión: El hilo jala el papalote hacia la persona. El hilo toca el papalote, así que esta es una fuerza de contacto.
  3. Aire: El aire en movimiento empuja el papalote. El aire toca el papalote, así que esta es una fuerza de contacto.
  4. Respuesta: Tres fuerzas: la gravedad (a distancia), la tensión (contacto) y el empujón del viento (contacto).

Ejemplo 3: Cómo jalar un trineo

Un niño jala un trineo por nieve plana con una cuerda horizontal. Nombra las cuatro fuerzas sobre el trineo y la dirección de cada una.

Mostrar la solución
  1. Gravedad: La Tierra jala el trineo hacia abajo (Fg).
  2. Fuerza normal: La nieve empuja el trineo hacia arriba (FN).
  3. Tensión: La cuerda jala el trineo hacia adelante, hacia el niño (FT).
  4. Fricción: La nieve roza el trineo que se desliza y apunta hacia atrás, en sentido opuesto al movimiento (Ff).

Ejemplo 4: Nombra la fuerza

Nombra la fuerza principal que se describe en cada caso: (a) un paracaídas que frena a un paracaidista (b) un cable que sostiene un elevador (c) el agua que sostiene un barco

Mostrar la solución
  1. (a) Paracaídas: El aire empuja hacia arriba contra el paracaídas que cae: resistencia del aire.
  2. (b) Cable del elevador: Un cable jala el elevador hacia arriba: tensión.
  3. (c) Barco: El agua empuja el barco hacia arriba: fuerza de flotación.

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Práctica

Clasifica las fuerzas en fuerzas de contacto y fuerzas a distancia, nombra la fuerza en situaciones de todos los días y muestra la dirección de la fuerza normal, la fricción, la tensión y más. 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: un empujón o un jalón, que se mide en newtons (N)
  • Las fuerzas de contacto necesitan tocar; las fuerzas a distancia no
  • Contacto: FN, Ff, FT, Fapp, aire, flotación
  • A distancia: gravedad, Fg

De vuelta a la pregunta esencial: los objetos de todos los días sienten fuerzas de contacto como la fuerza normal, la fricción, la tensión, las fuerzas aplicadas, la resistencia del aire y la fuerza de flotación, además del jalón a distancia de la gravedad. A continuación, aprenderemos a mostrar todas estas fuerzas a la vez con diagramas de cuerpo libre.

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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.
  • HS-PS2-4: Usar representaciones matemáticas de la ley de la gravitación de Newton y de la ley de Coulomb para describir y predecir las fuerzas gravitacionales y electrostáticas entre objetos.

Ideas disciplinarias básicas: PS2.A Fuerzas y movimiento; PS2.B Tipos de interacciones

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