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FUERZA Y MASA
“Nada sucede hasta que algo se mueve”
-Albert Einstein
As well as the work he did on the solar system
Masa
Es la cantidad de materia de lo
que está hecho algo. Su unidad en
el SI es el kilogramo (kg).
Fuerza
Es imposible definir lo que es una
fuerza, hay que definirla por el
efecto que tiene, “lo que hace”.
Podemos decir que es un tirón, un
empujón…
Galileo Galilei (1564-1642) podríamos decir que fue el
primer científico real. Además de sus descubrimientos
sobre el sistema solar fue el primero que definió la
aceleración (tasa de variación de la velocidad), y
haciendo experimentos con pelotas y rampas, y
observando la oscilación de los péndulos identificó que
había una fuerza que retardaba el movimiento y así
desarrolló el concepto de inercia –es decir, la idea de
que las cosas se resisten a moverse cuando están
paradas o se resisten a parar cuando están moviéndose.
Cuando empujas una pelota para que ruede en una dirección seguirá rodando mucho rato
hasta que pare sola.
Primera Ley del Movimiento de Newton – Ley de Inercia
Todo cuerpo permanecerá en estado de reposo o con un movimiento
rectilíneo uniforme a no ser que una fuerza externa actúe sobre él.
Esto significa que algo seguirá parado (sin movimiento) o moviéndose a velocidad
constante si ninguna fuerza externa actúa sobre ello.
Segunda Ley del Movimiento de Newton – Ley de la Dinámica
La aceleración de un objeto producida por una fuerza que actúa sobre él es
directamente proporcional a la magnitud de esa fuerza, en la misma
dirección que esa fuerza, y es inversamente proporcional a su masa.
Más conocido como:
𝐹 ⃗⃗ ⃗= m 𝑎
Donde F es la fuerza, medida en Newtons, (1N = 1kgm/s2); m es la masa medida en kg,
y la a es la aceleración medida en m/s2.
F y a son magnitudes vectoriales. Esto quiere decir que tienen una magnitud y una
dirección.
El físico y matemático inglés Isaac Newton (1642-1727)
es posiblemente el científico más influyente de todos
los tiempos. Newton perfeccionó el método
experimental de Galileo creando el método de
experimentación que todavía se sigue utilizando hoy.
Aplicando su método científico Newton formuló un
sistema unificado de leyes que podía ser aplicado a
todos los fenómenos cotidianos y podía utilizarse para
hacer predicciones exactas. Newton publicó sus
trabajos en dos libros, "Opticks" y "Principia."
Tercera Ley del Movimiento de Newton – Principio de acción y reacción
Todas las fuerzas en el universo ocurren en pares iguales pero en
direcciones opuestas; cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un
segundo cuerpo, el segundo cuerpo ejerce una fuerza igual pero opuesta
sobre el primer cuerpo.
Esta es una idea complicada, básicamente significa que cuando se empuja o se tira de
algo, ese cuerpo tirará o empujará de vuelta con exactamente la misma fuerza. Cuando
te sientas, la silla te empuja hacia arriba con la misma fuerza con la que la empujas tú,
la fuerza de tu peso (siempre que el asiento no se rompa).
Equilibrio de fuerzas
Un cuerpo se encuentra en equilibrio (es decir en reposo o en movimiento rectilíneo
uniforme, MRU) si la suma de las fuerzas que actúan sobre él es cero.
Si la suma de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es distinta de cero, da lugar a una
fuerza resultante, que es el resultado de la suma de todas las fuerzas.
La ley de Hooke
La ley de Hooke establece que la elongación causada en un cuerpo es proporcional a la
fuerza ejercida sobre ese cuerpo.
F= K · x
Donde x representa cuánto se ha estirado el cuerpo y K es la constante elástica del
cuerpo.
K es una característica del cuerpo, no varía. Indica la relación que existe entre la fuerza
que se ejerce sobre el cuerpo y cuánto se deforma éste. Esa relación es constante.
Esto significa que cuando cuelgas masa de un muelle en cantidades iguales se estirará
en proporciones iguales. La K, la constante elástica del muelle será diferente para
distintos muelles.
La gravedad
Newton pasó una gran parte de su juventud viviendo en una granja, y lo odiaba. Había
estado estudiando en la Universidad de Cambridge, pero un brote de peste hizo que
tuviera que evitar grandes grupos de gente para no contagiarse de la enfermedad.
Durante dos años vivió en la granja de su padrastro y se piensa que durante ese
tiempo vio el simple hecho de una manzana que caía de un árbol y eso le hizo pensar
acerca de lo que estaba ocurriendo.
Newton se planteó cual era la razón por la que la manzana caía, y por qué cuando
tiramos cosas hacia arriban éstas caen. Propuso que si podía tirar la manzana lo
suficientemente alta esta quedaría en órbita, o intentando caer pero no llegando al
suelo.
Se dio cuenta de que esto era lo que le pasaba a la luna alrededor de la tierra y a la
tierra al girar alrededor del sol. Así que eso lo llevó a formular una ley llamada la Ley
de Gravitación Universal.
“La interacción gravitacional entre dos cuerpos puede expresarse
mediante una fuerza que es directamente proporcional a las masas de
los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que
los separa”
𝐅 = 𝐆𝐦𝟏 · 𝐦𝟐
𝐝𝟐
F= Fuerza gravitacional
G= Constante gravitacional universal (descubierta por Henry Cavendish en 1798)
m1 y m2= Las masas de los dos objetos.
d2= La distancia entre los dos objetos al cuadrado.
De esta manera, si tenemos un objeto sobre la superficie de la tierra la distancia entre
el objeto y el centro de la tierra es igual al radio del planeta Tierra (r= 6370 km).
En este caso la ecuación es la siguiente:
𝐅 = 𝐆𝐌 · 𝐦𝟐
𝐫𝟐
M= Masa de la Tierra (5.98 · 1024 kg)
m2= masa del objeto
r2= radio de la tierra al cuadrado.
En la superficie de la tierra M, r y G son constantes, de modo que los podemos reunir
en g (la aceleración causada por la gravedad terrestre):
𝐠 = 𝐆𝐌
𝐫𝟐
La aceleración de la gravedad en la Tierra tiene un valor aproximado de 9.8 m/s2 (10
m/s2).
Podemos calcular la llamada fuerza peso.
El peso
La fuerza peso es la fuerza gravitacional con la que tierra atrae cuerpos que poseen
masa.
𝐅𝐩 = 𝐠 · 𝐦
La fórmula para hallar el peso es equivalente a la fórmula de la Segunda Ley de
Newton.
𝐅 = 𝐦 · 𝐚 𝐅𝐩 = 𝐦 · 𝐠
El valor de la aceleración de la gravedad disminuye con la altura (era inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia).
Por tanto un objeto pesará menos cuanto más se aleje de la superficie terrestre. El
peso de un cuerpo no es constante, es variable debido a que depende de la
aceleración de la gravedad, y ese valor varía según el lugar del universo en el que nos
encontramos.
La masa de un cuerpo (kg) es invariable, es la misma en cualquier lugar del universo.
Caída libre
La caída libre es un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado MRUA, con una
aceleración constante que es igual a la aceleración de la gravedad, g= 10 m/s2.
Por ejemplo, si dejamos caer un cuerpo desde una determinada altura podemos
calcular el tiempo que tarda en caer y la velocidad con la que alcanza el suelo.
Las fórmulas que usamos son las mismas que las de MRUA, pero teniendo en cuenta lo
siguiente:
- La aceleración es la aceleración de la gravedad terrestre (g= 10 m/s2)
- La velocidad inicial es igual a cero.
Espacio, distancia que recorre al caer:
S = S0 + ½ g · t2
Velocidad que alcanza:
V = g · t
Fuerza de rozamiento o fricción
Las fuerzas de rozamiento surgen cuando un cuerpo se desliza por un plano. Son
debidas a interacciones entre las moléculas de ambos cuerpos en los lugares en que las
dos superficies están en contacto. Son las responsables de que los cuerpos disminuyan
su velocidad si se dejan deslizar libremente.
Las fuerzas de rozamiento:
- Siempre se oponen al movimiento del objeto.
- Son paralelas al plano.
- Depende de la naturaleza y estado de las superficies de contacto.
- Es proporcional a la fuerza normal.
𝑭 = 𝝁 · 𝑵
F= Fuerza de rozamiento (su unidad es el N)
𝜇= coeficiente de rozamiento (es característico de la superficie, no tiene unidades, es
adimensional)
N= Fuerza normal
La fuerza normal es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo colocado
sobre ella. En un plano horizontal como en el dibujo la fuerza normal es igual al peso.
Magnetismo
El magnetismo es la propiedad que tienen algunas sustancias, llamadas imanes, para
atraer otras hechas de hierro, acero, níquel…
Los imanes generan fuerzas magnéticas.
Hay imanes naturales, como por ejemplo la magnetita, y artificiales, que se fabrican
por contacto con otros imanes o mediante corriente eléctrica.
Los imanes tienen dos polos, norte y sur, que no pueden separarse. Los polos iguales
se repelen y los opuestos se atraen.
Los imanes generan a su alrededor una zona llamada campo magnético. Esa es la zona
en la que los materiales magnéticos sentirán la presencia del imán, serán atraídos por
los imanes.
Máquinas simples
Son dispositivos que permiten ahorrar trabajo al realizar ciertas tareas.
Plano inclinado
Una superficie inclinada un cierto ángulo. Se usa para subir pesos deslizándolos por él,
ya que es más fácil que cargarlos.
Ejemplo: las rampas de acceso a los edificios, rampas para cargar un camión…
Cuña
La cuña consiste en dos superficies planas formando un ángulo, de modo que al
presionar sobre una superficie se multiplica la fuerza que se ejerce sobre ella.
Ejemplo: hacha, cincel…
Rueda
Es un cilindro que puede rotar respecto a un eje. Es la máquina simple más importante
de todas y la que permitió el desarrollo tecnológico.
Palanca
Es una barra rígida apoyada en algún lugar.
Cuanto más lejos del punto de apoyo apliquemos la fuerza menos fuerza hay que
ejercer en el otro extremo de acuerdo a la ley de la palanca:
Lp·P=Lr·R
Lp y Lr son distancias al punto de apoyo, P es la fuerza que se ejerce y R la resistencia
que se quiere vencer.
Hay tres tipos:
Primer género
El punto de apoyo está entre la fuerza y la resistencia.
Ejemplo: balancín, tijeras…
Segundo género
La resistencia está entre el punto de apoyo y la fuerza.
Ejemplo: cascanueces
Tercer género
La fuerza está entre el punto de apoyo y la resistencia.
Ejemplo: pinzas, brazo al levantar un objeto…
Polea simple
Es una rueda por la que se hace pasar una cuerda. La polea no gira, la fuerza que hay
que ejercer es igual al peso que se quiere mover, pero se hace más fácil al cambiar la
dirección en la que hay que moverla.