5. Las fuerzas

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FUERZAS. EFECTOS QUE PRODUCEN

Las palabras que usamos en el lenguaje cotidiano no siempre tienen el mismo significado que le damos en el campo de la ciencia. Eso pasa con la palabra fuerza. Cuando decimos en la vida cotidiana que algo tiene mucha fuerza o que es muy fuerte lo asociamos más al concepto físico de energía.

¿Qué es la fuerza? A veces las fuerza se notan, por ejemplo cuando hay una deformación, cuando provocan un movimiento. Pero otras veces no se notan, cuando ponemos la mesa, colocamos platos, vasos y cubiertos sobra la mesa, no vemos las fuerzas que se establecen entre estos objetos y la mesa, pero existen.

¿Quieres saber si hay una fuerza? Pues piensa si hay una interacción entre dos cuerpos. Si hay interacción entre dos cuerpos seguro que hay una fuerza. ¿Interacciona el plato con la mesa?, pues entonces hay fuerza. ¿Cómo saber si el plato interacciona con la mesa? Imagina que desapareciera la mesa por arte de magia, que pasaría con el plato, ah! pues si pasa algo es que la mesa interacciona con el plato.

Podemos decir que las fuerzas ponen de manifiesto la interacción entre los cuerpos.

Cuando se clasifican las fuerzas a veces las dividimos en fuerzas por contacto y fuerzas a distancia. Dar una patada a un balón sería una fuerza por contacto y la atracción gravitatoria que hace que el balón vuelva al suelo serías una fuerza a distancia. En realidad todas las fuerzas son fuerzas a distancia, las podríamos dividir en fuerzas a pequeña distancia y a gran distancia.

¿Cómo podemos detectar las fuerzas? Ya vemos que no es fácil a veces. Tenemos que fijarnos en los efectos que producen las fuerzas sobre los cuerpos y estos son sólo tres:

  • Las fuerzas producen aceleraciones
  • Las fuerzas producen deformaciones
  • Las fuerzas mantienen a los cuerpos en equilibrio

Si detectamos alguno de estos efectos es que estamos ante unas fuerzas.

Las fuerzas son más curiosas todavía, nunca aparecen solas, aparecen a pares, de dos en dos, curioso ¿no?

ESTUDIO DE UN RESORTE

Uno de los efectos de las fuerzas sobre los cuerpos es producir deformaciones. 

Fíjate como se deforma una pelota de tenis en el momento del saque:

Hay deformaciones que no las percibimos de tan rápidas que son, pero ocurren.

Una deformación más fácil de ver es la que sufre una goma elástica o un resorte o muelle cuando los estiramos. Su estudio nos va a permitir un método para medir las fuerzas.

Observa esta simulación. Estira los resortes con el ratón y suéltalos, ¿qué ocurre? ¿son todos los resortes iguales? ¿Hay que hacer las mismas fuerzas para estirarlos? Esto también lo experimentarás en el laboratorio.

SIMULACIÓN: CONSTANTE ELÁSTICA DE UN MUELLE en educaplus.org

SIMULACIÓN: MASAS Y RESORTES en phet.colorado.edu

MEDIDA Y REPRESENTACIÓN DE UNA FUERZA

Las fuerzas no dependen sólo de su valor numérico, dependen de la dirección y sentido en que hagamos la fuerza, eso nos indica que estamos ante una magnitud vectorial. Por tanto para definir una fuerza debemos hablar de su origen, su módulo, su dirección y su sentido.

Las fuerzas las medimos en newtons, N. Una fuerza de un newton equivale aproximadamente al peso de unos 100g.

Para medir las fuerzas usaremos el dinamómetro que aprovecha la propiedad que tienen los resortes de deformarse por acción de una fuerza.

FUERZAS Y DEFORMACIONES

Vamos a intentar comprobar cuál es la relación que hay entre la deformación que sufre un resorte y la fuerza que hacemos sobre el mismo.

Nos vamos a ayudar de la siguiente simulación de la Universidad de Colorado.

1º experimento: En el apartado introducción marca Desplazamiento y Valores. Estira el resorte, comprueba que cuanto mayor es la fuerza que se aplica mayor es la elongación del resorte, es decir, lo que se alarga a partir de la posición de equilibrio.

2º experimento: En este mismo apartado de introducción aplica diferentes fuerzas sobre el resorte. Haz una tabla de valores con los valores de la fuerza y con el valor de la elongación. Representa estos valores en una gráfica. Comprueba que la grafica es una recta, que conocemos como función lineal.

3º experimento: En este mismo apartado de introducción marca en dos resortes. En un resorte aplica una fuerza y en el otro el doble de fuerza, comprueba que la elongación es doble donde se hizo el doble de fuerza. Por tanto comprobamos que la elongación es directamente proporcional a la fuerza.

Esto lo representamos con la siguiente expresión:

Esta expresión se conoce como ley de Hooke, y que nos dice que las deformaciones que sufren los resortes son proporcionales a las fuerzas.

k es la constante de recuperación del resorte, depende del material y de como esté construido, y sus unidades S.I. son N/m

Calcula la constante de recuperación del resorte con la siguiente simulación:

SIMULACIÓN: LEY DE HOOKE en educaplus.org

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

FUERZAS Y MOVIMIENTOS

Sabemos que cuando hacemos fuerza sobre un cuerpo podemos moverlo, aumentar su velocidad o frenarlo.

Nos vamos a ayudar de la siguiente simulación de la Universidad de Colorado.

1º experimento: En el apartado Movimiento marca Fuerzas, Valores, Masas y Velocidad. Aplica un fuerza constante y observa que pasa con la velocidad.

2º experimento: En este mismo apartado, marca Fuerzas, Valores, Masas y Velocidad. Acerca con el ratón el hombre a la caja hasta que aplique cierta fuerza, observa que la velocidad aumenta. Luego suelta el ratón para que el hombre deje de hacer fuerza, ¿qué ocurre? Observamos que la velocidad deja de aumentar.

3º experimento: En este mismo apartado, marca Fuerzas, Valores, Masas y Velocidad. Mueve el cursor azul de fuerza aplicada hacia la derecha, el cuerpo se mueve con velocidades crecientes. Luego mueve el cursor hacia la izquierda, hacia las velocidades negativas, observa que la velocidad disminuye.

Cuando aplicamos una fuerza sobre un cuerpo aumentamos su velocidad. Si un cuerpo en movimiento experimenta una fuerza en sentido contrario al movimiento se frena.

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