Fuerzas

Una fuerza es una influencia que al actuar sobre un objeto hace que éste cambie su estado de movimiento. En la práctica, notamos una fuerza cuando empujamos o tiramos de un objeto. A pesar de que es posible definir la fuerza de un modo operacional, describiendo las operaciones que se requieren para medirla (como se ha hecho en el Apartado 1.2 con la longitud y el tiempo), ello podría oscurecer más que aclarar las propiedades de la fuerza que deseamos poner de relieve. Por lo tanto, no nos molestaremos siquiera en definir la fuerza, sino que la consideraremos como un concepto primitivo con las cuatro propiedades siguientes.

Propiedades de la fuerza

Propiedad 1. Una fuerza siempre es aplicada por un objeto material a otro.

Propiedad 2. Una fuerza se caracteriza por su módulo y por la dirección en que actúa.

Propiedad 3 (Tercera ley de Newton del movimiento). Cuando un objeto A ejerce una fuerza F sobre un objeto B, el objeto B ejerce simultáneamente una fuerza R sobre el objeto A.

Propiedad 4. Si dos (o más) fuerzas actúan simultáneamente sobre el mismo objeto, su efecto es el mismo que el de una fuerza única igual a la suma vectorial de las fuerzas individuales.

Primera ley de Newton del movimiento (caso particular). Para que un objeto permanezca en reposo, o sea, esté en equilibrio, es necesario que la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él sea cero.

Fuerza de la gravedad (Fuerza Peso)

El nombre de gravedad se da a la fuerza con que la Tierra atrae a todos los objetos. Para un objeto material dado, por ejemplo, un bloque de plomo, esta fuerza tiene aproximadamente el mismo valor en cualquier punto de la superficie terrestre. Puede variar en un 0,5 % entre el polo y el ecuador, pero para nuestros fines puede despreciarse esta pequeña diferencia.
La dirección de la fuerza apunta al centro de la Tierra y de este modo la dirección de la fuerza de la gravedad sobre el bloque de plomo en el polo es diferente de la dirección en el ecuador (ver Figura 2.5). Se dice que el bloque de plomo es atraído hacia el centro de la Tierra por la fuerza de la gravedad. Entonces, de acuerdo con la tercera ley (de Newton), el bloque debe atraer a la Tierra con una fuerza de igual módulo y dirección opuesta a la fuerza ejercida por la Tierra sobre el bloque.

Fuerza de un resorte (muelle)
La Figura muestra un resorte suspendido de una barra y colgando verticalmente a lo largo de una regla. Cuando se engancha en el extremo inferior del resorte un peso de 1 kp, el resorte se alarga una cierta distancia, por ejemplo 0,75 cm. Cuando se engancha un peso de 2 kp, el muelle se alarga 1,5 cm, o sea, el doble que en el caso anterior. Se observa, en general, que la cantidad que se alarga el muelle (hasta un límite) es proporcional a la fuerza de la gravedad sobre el peso. El módulo F de esta fuerza está por lo tanto relacionado con la distancia x que se alarga el muelle, por medio de

Fr = -kx

donde k es una constante característica del muelle.

Fuerza de contacto (normal)
Un bloque en reposo sobre una mesa (o un estudiante sentado en su silla) está evidentemente en equilibrio y de nuevo, por la primera ley, debe actuar sobre él otra fuerza además de la fuerza de la gravedad. La superficie de la mesa es ligeramente deformada por el bloque y, como consecuencia, ejerce sobre él una fuerza hacia arriba N. Esta fuerza, que es perpendicular a la superficie que la produce, se llama fuerza de contacto (fuerza normal). Puesto que la suma de Fg, la fuerza de la gravedad sobre el bloque, y N, la fuerza de contacto, es nula de acuerdo con la primera ley, se deduce que N debe ser de dirección opuesta a Fg, o sea
N = -Fg
Las fuerzas de contacto las ejercen los cuerpos sólidos sobre otros objetos en contacto con ellos.

Fuerza de rozamiento
El rozamiento, tal como la fuerza de contacto, es una fuerza aplicada por una superficie a un objeto en contacto con ella. Sin embargo, la fuerza de rozamiento es siempre paralela a la superficie, en tanto que la fuerza de contacto es siempre perpendicular a la misma. La fuerza de rozamiento actúa generalmente oponiéndose a cualquier fuerza aplicada exteriormente. Consideremos, pues, de nuevo un bloque sobre una mesa e imaginemos que se le aplica una pequeña fuerza Fa, paralela a la superficie de la mesa. Si Fa es suficientemente pequeña, el bloque no se mueve, de modo que ha de haber alguna otra fuerza Fr actuando sobre el bloque. Mientras el bloque permanece en reposo, la primera ley de Newton exige que Fr = — Fa.

Ejercicios