Instituto San Marcos FISICA 5° Año Leyes de Newton Docente responsable: Fernando Aso Las fuerzas, su descripción Características de las fuerzas La Cinemática se ocupa de describir el movimiento de los cuerpos pero en ningún momento considera porque un objeto se mueve de determinada manera y no de otra. La rama de la Física que interpreta las causas de los movimientos se denomina Dinámica. Para conocer las causas del movimiento de los cuerpos, hay que considerar que los diferentes objetos no se encuentran aislados en el Universo, sino que interactúan con otros. Esta interacción se manifiesta a través de una magnitud física llamada fuerza. Algunos ejemplos de interacciones son: • • • • •
Una piedra cae desde lo alto de la montaña porque interactúa con la Tierra. Unos alfileres son atraídos por un imán porque están cerca e interactúan con él. Una bola de plastilina cambia de forma al chocar contra el piso. Una lámpara se mantiene sostenida del techo por alambres y ganchos que impiden que se caiga. Los resortes de un sillón se comprimen cuando una persona se sienta en él.
En todos los casos, se ejercen fuerzas sobre los objetos. En general debido a la fuerza que un objeto ejerce sobre otro, este puede cambiar la velocidad o deformarse. Para estudiar las características de las fuerzas, se puede observar que sucede cuando un jugador de fútbol patea una pelota. Puede hacerlo, débilmente, es decir, con una fuerza de poca intensidad; hacia determinado jugador, es decir, con cierta dirección y sentido. En síntesis, la fuerza en una magnitud vectorial que se caracteriza por tener dirección, sentido y módulo. Además es importante conocer el lugar del cuerpo donde se ejerce la fuerza, es decir el punto de aplicación de la fuerza. En la vida cotidiana, la fuerza se mide en kilogramo fuerza kg o en newton (N ) y la relación entre
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dichas unidades es: 1kg = 9,8 N Las leyes de Newton 1) Principio de Inercia: todo cuerpo permanece en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme si no se ejercen fuerzas sobre él o si la resultante de las fuerzas ejercidas es cero. 2) Principio de Masa: la aceleración que adquiere un cuerpo debido a la acción de una fuerza es directamente proporcional a la intensidad de la fuerza ejercida y de igual dirección y sentido. 3) Principio de Acción y Reacción (Interacción): cuando dos cuerpos interactúan, sobre cada uno de ellos se ejercen fuerzas que tienen igual intensidad y dirección, y sentido contrario. La Primera Ley o Principio de Inercia
La primera Ley establece que todo cuerpo que mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que se ejerza una fuerza neta sobre él. Este hecho no es tan evidente, ya que en la Tierra siempre está presente la fuerza peso, así que conviene considerar el caso en que la resultante de las fuerzas ejercidas es cero. En este caso, si el cuerpo está en reposo, como un libro apoyado sobre la mesa, es fácil entender que sólo la acción de una fuerza adicional lo sacará de este estado. Para el caso de un cuerpo que no esté en reposo, se puede considerar el movimiento de un disco de tejo sustentado sobre una mesa por un colchón de aire. Al ser golpeado, el tejo parte con cierta velocidad y su movimiento es rectilíneo uniforme hasta que choca con el borde de la mesa o es golpeado por el contrincante. Si la mesa fuera más larga, el movimiento tendría las mismas características. En la vida diaria, cuando una pelota se desplaza sobre el piso, reduce su velocidad por efecto del rozamiento. El rozamiento es el responsable de “esconder” el Principio de Inercia. Generalmente se tiende a
Instituto San Marcos FISICA 5° Año Leyes de Newton Docente responsable: Fernando Aso pensar que para mantener constante la velocidad de un cuerpo es necesaria aplicar una fuerza sobre él. En realidad esta fuerza es la que se debe hacer para compensar el rozamiento y conseguir que la resultante de la fuerzas sobre el cuerpo sea cero. Los sistemas de referencia donde son válidas las Leyes de Newton se denominan sistemas inerciales. Un sistema inercial es aquel que no está acelerado es decir que esta en reposo o se mueve con velocidad constante. La Segunda Ley o Principio de Masa
La segunda Ley de Newton, o Principio de Masa, indica cuál es la relación entre la fuerza ejercida sobre un cuerpo y la aceleración que adquiere. Si sobre un cuerpo se ejerce una fuerza “F”, el cuerpo su velocidad con una aceleración “a”. Si sobre el mismo cuerpo ahora se ejerce otra fuerza de igual dirección y sentido que “F” pero tal que su intensidad sea el triple, la aceleración que adquiere será tres veces más grande. Masa de un cuerpo
¿Qué ocurre si la misma fuerza se aplica en cuerpos diferentes? En general las aceleraciones que adquieren los cuerpos son diferentes. La masa del cuerpo es una magnitud escalar y habitualmente se mide en (kg), la masa de un cuerpo es una medida de la cantidad de materia que compone el cuerpo. La masa además en términos generales es una cantidad que se “mantiene fija” es decir que no depende del lugar donde nos encontramos, en cambio el peso, que es la fuerza con que la Tierra nos atrae, depende del valor de la aceleración de la gravedad del lugar, por lo que puede variar en distintos puntos de la Tierra. Nuestra masa será la misma tanto en la Tierra como en la Luna pero nuestro peso no ya que la aceleración de la gravedad de la luna es aproximadamente las sexta parte de la de la Tierra. El kg es una unidad a partir de la cual se define el newton (N). [F ] = [m][a] = kg ⋅ m 2 = N seg No confundir el kg (kilogramo fuerza) es una unidad de fuerza y el kilogramo-masa o simplemente kilogramo (kg), es una unidad de masa. Son unidades de diferentes magnitudes y distintos sistemas de medición. No son comparables entre sí (de la misma manera que no se puede comparar un metro con un kilo). m , el Sin embargo en la Tierra si un cuerpo tiene una masa de 1kg, su peso es 1kg . Como g = 9,8 seg 2 peso de un kilogramo masa será: m P = m ⋅ g = 1kg ⋅ 9,8 = 9,8 N seg 2 Es decir: 1kg = 9,8 N
Instituto San Marcos FISICA 5° Año Leyes de Newton Docente responsable: Fernando Aso La Tercera Ley o Principio de Interacción Simetría de las interacciones
La tercera Ley de Newton, o Principio de Interacción, establece la relación entre las fuerzas ejercidas sobre dos cuerpos en mutua interacción. Estas fuerzas forman un par de interacción y tienen igual dirección e intensidad y sentido contrario. La fuerza es la manifestación de la interacción entre dos cuerpos. Esto significa que si un cuerpo A interactúa con otro cuerpo B, se ejerce una fuerza sobre A y otra fuerza sobre B. Se pueden considerar muchas situaciones en las que ambas fuerzas son observables a simple vista. Ejemplo 1: Cuando un Karateca da un fuerte golpe sobre una pila de maderas, puede llegar a partirlas debido a la fuerza que ejerce. A su vez, él recibe un golpe que le ocasiona dolor debido a la fuerza que ejercen las maderas sobre su mano. Ejemplo 2: Cuando un objeto cuelga verticalmente de una balanza, sobre el objeto se ejerce una fuerza (la de la balanza) que evita que se caiga. A su vez sobre la balanza se ejerce otra fuerza que estira los resortes que tiene la balanza internamente y mueve los mecanismos que indican el peso del objeto.
El principio de interacción indica que las fuerzas que forman el par tiene igual intensidad y dirección, pero sentido opuesto. En símbolos: F 1, 2 = − F 2,1 donde F 1, 2 es la fuerza sobre el cuerpo 1 debido a la interacción con el cuerpo 2; y F 2,1 es la fuerza ejercida sobre el cuerpo 2 debido a la interacción con el cuerpo 1. El signo (-) indica que la fuerzas tienen sentido opuestos. El hecho de que en toda interacción aparezca un par de fuerzas, una en cada cuerpo, implica que cada cuerpo se acelera como consecuencia de esa interacción, es decir que las velocidades de ambos cuerpos se modifican. Como las fuerzas tiene sentidos contrarios, las aceleraciones que experimentan cada uno de los cuerpos tendrán sentidos contrarios. Además como la aceleración es inversamente proporcional a la masa, el cuerpo de menor masa experimentará la mayor aceleración y viceversa.
Algunas consideraciones acerca de la tercer Ley de Newton
En muchas situaciones, por ejemplo cuando la masa de uno de los cuerpos interactuantes es mayor que la del otro, el Principio de Interacción no resulta evidente. ¿Qué ocurre cuando se acerca un imán a alfileres pequeños? La acción del imán sobre los alfileres se evidencia en el movimiento de estos hacia el imán. ¿Y la fuerza ejercida sobre el imán? Tiene la misma intensidad que la aplicada sobre los alfileres, pero como el imán tiene una masa mucho mayor no resulta visible a simple vista. La pequeñísima aceleración del imán queda neutralizada por efecto del rozamiento del imán con la superficie en que está apoyado. Si ahora acercamos el mismo imán a la heladera veremos que ahora el que se acelera es el imán ya que la masa del imán comparada con la de heladera es mucho menor. En este caso la aceleración que recibe la heladera es la que queda neutralizada para acción de la fuerza de rozamiento. Las fuerzas que forman los pares de interacción están aplicadas sobre cuerpos diferentes, cada una de ellas afecta el estado de movimiento de un cuerpo diferente, no se equilibran una con la otra. Por ejemplo, la fuerza peso que ejerce la Tierra en cada cuerpo, tiene su par, que cada cuerpo ejerce sobre la Tierra, aplicada en el centro de la Tierra.
Instituto San Marcos FISICA 5° Año Leyes de Newton Docente responsable: Fernando Aso Otra cuestión importante para tener en cuenta es que las fuerzas de un par de interacción aparecen en forma simultánea. Si está una de ellas, está la otra, y si deja de ejercerse alguna, también deja de hacerlo la otra. Ejemplo: Una niña se cuelga de una soga en un a plaza de juegos. La soga ejerce una fuerza sobre la niña que le permite pasar de un lugar a otro “por el aire”; a su vez, la niña ejerce una fuerza sobre la soga, que la tensa. Si la soga se corta, simultáneamente dejan de ejercerse ambas fuerzas.
