Download Concepto de Fuerza, Clasificación de las Fuerzas

INDICE DE CONTENIDO
0 Conceptos básicos.
0 Tipos de fuerzas y ejemplos cotidianos
0 Postulados de Newton
0 Aplicaciones de las leyes de Newton
0 Ejercicios
Fuerzas y postulados de Newton
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Conceptos básicos
0 ¿Qué es fuerza? Defina con sus propias palabras.
Ejemplos ilustrativos:
Tomado de: Física universitaria
para ciencias e ingeniería Serway,
Vol 1.
Fuerzas y postulados de Newton
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Conceptos básicos
0 En resumen…
0 UNA FUERZA ES ALGO QUE CUANDO ACTUA SOBRE
UN CUERPO, DE CIERTA MASA, LE PROVOCA UN
EFECTO
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Conceptos básicos
Además la fuerza cumple con propiedades básicas
observables en la vida cotidiana:
0 Es una magnitud vectorial: por que necesita de una
magnitud, dirección y sentido. (figura)
0 Una fuerza actuando sobre un objeto hace que éste o
bien cambie su velocidad o bien se deforme.
0 Las fuerzas obedecen el principio de superposición:
varias fuerzas concurrentes en un punto dan como
resultado otra fuerza que es la suma vectorial de las
anteriores.
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Conceptos básicos
MASA
Es una propiedad fundamental de un objeto; es una medida numérica de su
inercia; una medida fundamental de la cantidad de materia en el objeto. En
otras palabras también se define como el parámetro característico de cada
objeto que mide su resistencia a cambiar su velocidad. Es una magnitud escalar
y aditiva.
Su unidad en el sistema
internacional es el
Kilogramo
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Conceptos básicos
Newton (N)
•
Newton = kg.m/s2
0 Unidades
de fuerza:
• Fuerza que se aplica a un kilogramo de masa para que adquiera una
aceleración de un metro sobre segundo al cuadrado.
Dina (dyn)
•
dina= g.cm/s2
• Es la fuerza que se aplica a un g de masa para que adquiera una aceleración
de un centímetro sobre segundo al cuadrado
Kilopondio o kilogramo fuerza (kp o kg-f)
•
1kp= 1kg. 9,8m/s2 = 1N
• Es la fuerza que atrae a un kg de masas al nivel del mar y 45º de latitud
Libra o libra fuerza (lb o lb-f)
•
1 lbf ≡ 4,448222 newtons (kg·m/s²)
• Es aproximadamente igual a la fuerza gravitacional ejercida sobre una masa
de 1 lb sobre una idealizada superficie de la tierra.
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Conceptos básicos
Unidad
Equivalencia
1 Newton (N)
1 newton (N)
1 kilonewton (kN)
1000 N
1 kilopondio (1kp)
0,8 N
1 tonelada fuerza (1 tn)
1000 kp
1 libra (lb)
0,454 kp
1 libra (lb)
4,448 N
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Tipos de fuerza
0 ¿QUÉ TIPOS DE FUERZAS ESTAN PRESENTES EN
NUESTRA COTIDIANIDAD?
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Tipos de fuerza
Fuerza normal
Fuerza de tensión
De contacto
Fuerza de fricción
Fuerza elástica
Tipos de
fuerza
Fuerza electromagnética
Fuerza de peso
De campo
Fuerza nuclear
Fuerza nuclear fuerte
Fuerza nuclear débil
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Fuerzas de contacto
0 Son aquellas que se presentan por la interacción de
dos o más cuerpos. Es decir, chocando sus superficies
libres (como la fuerza normal).
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Fuerzas de contacto: fuerza
normal
0 Se representa con la letra 𝑁 y es la fuerza que aparece
cuando hay contacto entre dos superficies. Esta fuerza
es siempre perpendicular a la superficie.
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Fuerzas de contacto: fuerza
de tensión
0 Se representa con la letra 𝑇 y es la fuerza que aparece
cuando existe cuerdas sosteniendo un cuerpo donde
la masa de la cuerda es despreciable comparada con
la del objeto. Esta tensión es igual a través de toda la
cuerda.
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Fuerzas de contacto: fuerza
de fricción
0 Es la fuerza que aparece entre dos superficies de contacto. El
sentido de dicha fuerza es de sentido opuesto al movimiento.
0 Fuerza de rozamiento estática. Cuando no hay movimiento
relativo entre los dos cuerpos que están en contacto.
0 Fuerza de rozamiento dinámica. cuando si hay movimiento
relativo entre los dos cuerpos que están en contacto.
Matemáticamente se puede expresar con la siguiente ecuación:
𝐹𝑟 = 𝑚𝑁
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Fuerzas de contacto: fuerza
elástica
0 La fuerza elástica es la ejercida por objetos tales como
resortes, que tienen una posición normal, fuera de la
cual almacenan energía potencial y ejercen fuerzas.
La fuerza elástica se calcula como:
F = - k ΔX
ΔX = Desplazamiento desde la posición normal
k = Constante de elasticidad del resorte
F = Fuerza elástica
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0 ¿Por qué están en reposo los cuerpos apoyados
sobre una superficie o suspendidos de un hilo o
resorte?
Tomemos un resorte que se encuentra
fijo por uno de sus extremos y del otro
extremo se suspende un cuerpo. Bajo la
acción de la fuerza de gravedad el
resorte se estira y finalmente se
detiene.
Si colocamos otro cuerpo, el resorte se
alargará aún más, pues la fuerza que actúa
sobre él aumenta, pero finalmente se
detiene. ¿Cuál es la causa de que esto suceda?
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Tomado de: http://fisica.cubaeduca.cu/medias/interactividades/TEMAS/T-elastica/co/modulo_contenido_4.html
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Fuerzas de campo
0 Surge debido a la interacción entre campos y que se
producen cuando los cuerpos están separados cierta
distancia unos de los otros. Para cada instante de
tiempo las fuerzas sobre una partícula concreta
debida a otras partículas depende de las posiciones de
estas en el mismo instante, como si la fuerza "se
transmitiera instantáneamente" o existiera una
"acción a distancia" por parte de las otras partículas
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Fuerzas de campo: fuerza
electromagnética
0 Es aquella que se da entre la interacción de dos
cuerpos y esta puede ser magnética o eléctrica. Un
ejemplo de fuerza magnética se da cuando se frota un
globo y después se acerca a nuestro cabello.
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Fuerzas de campo: fuerza
nuclear
0 La fuerza nuclear es aquella que se da en el interior del átomo
donde hay una estabilidad del núcleo. Esta fuerza es
electromagnética y de un alcance más corto.
Existen dos fuerzas nucleares, la fuerza fuerte que actúa sobre los
nucleones y la fuerza débil que actúa en el interior de los mismos.
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Fuerzas de campo: atracción
nuclear fuerte
0 Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones
(protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico,
venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que
poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que
los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos
entre sí y también a los protones.
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Fuerzas de campo: atracción
nuclear débil
0 Esta fuerza es la responsable de fenómenos naturales como la
desintegración radiactiva. El efecto más familiar es el
decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la
radioactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo
de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear
fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a
cortas distancias.
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Fuerzas de campo: la
gravedad (peso)
0 Todos los objetos son atraídos hacia la Tierra. La fuerza de
atracción que ejerce la Tierra sobre un objeto se llama
fuerza gravitacional 𝐹𝑔 . Esta fuerza se dirige hacia el centro
de la Tierra y su magnitud se llama peso del objeto.
𝐹𝑔 =m𝑔
Dado que g disminuye a medida
que crece la distancia al centro de
la Tierra, los objetos pesan
menos a mayores altitudes que a
nivel del mar.
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ACTIVIDAD
0 Con base en lo explicado anteriormente diseñe un
mapa mental en donde exponga los tipos de fuerzas,
apoyándose en dibujos de ejemplos cotidianos con
cada uno de ellos. Comparta con sus compañeros su
resultado final. Recuerde las características de un
mapa mental.
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Aplicaciones de las leyes de
Newton
Se discutirán dos modelos de análisis para resolver
problemas en que los objetos están en equilibrio o
aceleran a lo largo de una línea recta bajo la acción de
fuerzas externas constantes. Recuerde que, cuando las
leyes de Newton se aplican a un objeto, se tiene interés
sólo en las fuerzas externas que actúan sobre el objeto.
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Partícula en equilibrio
0 Si la aceleración de un objeto representado como partícula es
cero, el objeto se considera con el modelo de partícula en
equilibrio. En este modelo, la fuerza neta sobre el objeto es cero:
𝑭=0
Ejemplo: una lámpara suspendida de una
cadena unida al techo, el diagrama de
cuerpo libre para la lámpara muestra que
las fuerzas que actúan sobre ésta son la
fuerza gravitacional hacia abajo
y la fuerza T hacia arriba
que ejerce la cadena.
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Partícula bajo una fuerza neta
constante
0 Si un objeto experimenta una aceleración, su movimiento se
puede analizar con el modelo de partícula bajo una fuerza neta.
La ecuación apropiada para este modelo es la segunda ley de
Newton:
Ejemplo: una caja que se jala hacia la
derecha sobre una superficie horizontal sin
fricción, Suponga que quiere encontrar la
aceleración de la caja y la fuerza que el suelo
ejerce sobre ella. Las fuerzas que actúan
sobre la caja se ilustran en el diagrama de
cuerpo libre de la figura
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Ejemplo
1) Un semáforo que pesa 122 N cuelga de un cable unido a otros
dos cables sostenidos a un soporte como en la figura. Los cables
superiores forman ángulos de 37.0° y 53.0° con la horizontal. Estos
cables superiores no son tan fuertes como el cable vertical y se
romperán si la tensión en ellos supera los 100 N. ¿El semáforo
permanecerá colgado en esta situación, o alguno de los cables se
romperá?
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0 Diagrama de cuerpo libre
Ambos valores son menores que 100 N (apenas para T2), de modo
que los cables no se romperán.
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Ejercicios en clase
1) En la película It Happened One Night(Columbia Pictures, 1934), Clark Gable está
de pie adentro de un autobús estacionado en frente de Claudette Colbert, quien está
sentada. De pronto el autobús comienza a moverse hacia adelante y Clark cae en el
regazo de Claudette. ¿Por qué ocurrió esto?
2) Suponga que un camión cargado con arena acelera a lo largo de una autopista. Si
la fuerza impulsora que se ejerce sobre el camión permanece constante, ¿qué ocurre
con la aceleración del camión si su remolque tiene una fuga de arena.
3) Un automóvil se mueve hacia adelante lentamente y aumenta su rapidez. Un
estudiante afirma “el automóvil ejerce una fuerza sobre sí mismo” o “el motor del
automóvil ejerce una fuerza en el automóvil”. Argumente que esta idea no puede ser
exacta y que la fricción que ejerce el camino es la fuerza propulsora sobre el
automóvil. Haga su evidencia y razonamiento tan persuasivo como sea posible. ¿Es
fricción estática o cinética? Sugerencia:Considere un camino cubierto con grava
ligera. Considere una impresión clara de la huella de la llanta sobre un camino de
asfalto, obtenida al recubrir la huella con polvo.
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Ejercicios en clase
4) Un ladrillo de masa M está sobre una almohadilla de hule de masa m. Juntos se
deslizan hacia la derecha con velocidad constante sobre un estacionamiento cubierto
de hielo. a) Dibuje un diagrama de cuerpo libre del ladrillo e identifique cada fuerza
que actúa sobre él. b) Dibuje un diagrama de cuerpo libre de la almohadilla e
identifique cada fuerza que actúa sobre ella. c) Identifique todos los pares de fuerzas
acción– reacción en el sistema ladrillo–almohadilla–planeta.
5) Los sistemas que se muestran en la figura P5.23 están en equilibrio. Si las balanzas
de resorte se calibran en newtons, ¿qué lectura indica en cada caso? Ignore las masas
de las poleas y cuerdas, y suponga que las poleas y el plano inclinado en el inciso d) no
tienen fricción.
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Links de estudio
Para lectura personal:
Leyes de newton y sus aplicaciones:
http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/fisicai/contenidos/temas_por_separado/2_ap_newton1011.p
df
Concepto de fuerza y su clasificación:
http://fisicacinematicadinamica.blogspot.com.co/2010
/04/tipos-de-fuerzas.html
Fuerzas y postulados de Newton
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