Dinámica

Desde que somos chicos, sentimos que las cosas cambian de estado o se mueven por “algo”: empujamos una puerta, pateamos una pelota, levantamos una mochila. En todos esos casos hay una interacción entre objetos. La física formaliza esta idea y nos dice que una fuerza es una interacción entre dos objetos o sistemas materiales, capaz de producir una aceleración o una deformación.

Estas interacciones no siempre se ven. A veces una fuerza se ejerce a distancia, como ocurre entre un imán y un clavo, o entre la Tierra y una piedra que cae. Pero aunque no las veamos, las fuerzas están presentes y son clave para explicar los movimientos y equilibrios en el mundo físico.

Magnitudes relacionadas y unidades

Para poder describir una fuerza y sus efectos, usamos otras magnitudes físicas: la masa del cuerpo que la recibe, el tiempo en que actúa, la distancia que recorre, la velocidad que adquiere, o la aceleración que provoca. Estas magnitudes se expresan en distintos sistemas de unidades. La siguiente tabla muestra cómo varían según tres sistemas comunes:

Equivalencias comunes:

• 1 N = 100000 dyn
• 1 kgf = 1kp = 9,8 N
• 1 kg = 1000 g
• 1 m = 100 cm
• 1 m/s = 100 cm/s
• 1 m/s² = 100 cm/s²

Las leyes de Newton

Primera ley (o ley de la inercia): Un objeto en reposo permanece en reposo, y uno en movimiento continúa en movimiento rectilíneo uniforme, si no actúa ninguna fuerza neta sobre él.

Ejemplo: Si empujás una caja sobre una superficie sin fricción (como sobre hielo muy pulido), y la soltás, seguirá deslizándose sin detenerse, porque nada la frena.

Segunda ley: Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, provoca una aceleración. Esta relación se expresa con la fórmula:

Ejemplo: Cuanto más masa tiene un auto, más difícil es hacerlo arrancar. Para mover un camión, necesitás mucha más fuerza que para empujar una bicicleta.

Tercera ley (acción y reacción): Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, entonces B ejerce sobre A una fuerza de igual intensidad, pero en sentido contrario.

Ejemplo: Cuando saltás, tus piernas empujan el suelo hacia abajo, y el suelo “te devuelve” una fuerza hacia arriba que te hace elevar.

El movimiento según las fuerzas

Cuando no hay fuerza o la fuerza neta es cero, el objeto se moverá a velocidad constante según la ecuación:

donde es la distancia que recorre, es la velocidad y es el tiempo de movimiento. Es un Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU).

En cambio, cuando la fuerza neta no es nula, aparece una aceleración (por la segunda ley). La aceleración es el cambio de velocidad en el tiempo. Cuando la fuerza está en la dirección del movimiento, podemos describir ese cambio con la ecuación:

donde es la velocidad final del objeto, es la aceleración producida por la fuerza, es la velocidad incial o de partida del problema y es el tiempo. A este movimiento acelerado donde la fuerza no cambia y va en la dirección del desplazamiento se lo denomina Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV).

¿Qué es la fuerza neta? ¿Y qué es el equilibrio?

En muchos casos no hay una sola fuerza actuando sobre un cuerpo, sino varias al mismo tiempo: el peso, la fuerza de fricción, una tensión, etc. La fuerza neta es la suma vectorial de todas esas fuerzas. Es decir, la fuerza “total” que actúa sobre el cuerpo y que determina si el cuerpo acelera o no.

Cuando la fuerza neta es cero, decimos que el cuerpo está en equilibrio. Puede estar quieto o moviéndose con velocidad constante, pero no cambia su estado de movimiento.

Esta idea es esencial en lo que se conoce como estática, que estudia situaciones en las que todo permanece en equilibrio. La usamos, por ejemplo, al diseñar un puente, una escalera o incluso un andamio. Saber cómo se reparten las fuerzas permite que estas estructuras sean seguras.

La importancia práctica de entender las fuerzas

Entender las fuerzas nos permite intervenir en el mundo: construir cosas que no se caigan, predecir cómo va a reaccionar un sistema, o incluso entender fenómenos naturales como la caída de objetos, los sismos o los movimientos de los planetas. Las leyes de Newton siguen siendo hoy una herramienta fundamental para ingenieros, arquitectos, diseñadores, médicos y científicos en general.

Actividad:

Resolver los siguientes problemas usando segunda ley de newton 

y la ecuación de movimiento acelerado

Importante: Para usar la ley de Newton es necesario tener todas las unidades en SI (sistema internacional) o cgs. Mirar la tabla de unidades más arriba.

Parte 1 – Experimentos virtuales con el simulador “Fuerzas y Movimiento” (PhET)

Ingresá al simulador Fuerzas y Movimiento.
Seleccioná la pestaña “Aceleración”. Activá las ayudas:

• Valores
• Masas
• Rapidez
• Aceleración

Es fundamental que configures la fricción en “Nada” para realizar los cálculos sin resistencias. Representá cada situación en el simulador y también realizá los cálculos teóricos.

1. Un cuerpo de 250 kg es empujado con una fuerza constante de 500 N.
   ¿Qué aceleración obtiene? ¿Qué velocidad tendrá luego de 3 segundos?
2. Se aplica una fuerza de 100 N para frenar un cuerpo de 170 kg que lleva una velocidad de 40m/s.
   Calculá la aceleración y la velocidad tendrá luego de 4 segundos.
3. ¿Qué fuerza es necesaria para que un cuerpo de 80 kg experimente una aceleración de 4 m/s²?
4. Un objeto de 100 kg se mueve a 40 m/s.
   ¿Cuánto tiempo se necesita para frenarlo completamente aplicando una fuerza de 500 N en dirección contraria?
5. Un cuerpo de 100 kg se mueve a 40 m/s.
   ¿Qué fuerza se debe aplicar para detenerlo completamente en 10 segundos?
6. Determinar la masa de del paquete de regalos, explicando como realizaste la medición y/o cálculo.

Parte 2: Problemas complementarios (sin simulador)

Problema 1

Durante una feria de ciencias, un grupo de estudiantes presenta un mini robot que avanza sobre una pista recta. El robot tiene una masa de 1500 g y logra moverse con una aceleración constante de 200 cm/s² gracias a su pequeño motor.
¿Qué fuerza, en dinas, está generando el motor para mover el robot?

Problema 2

Un trabajador de una fábrica coloca una caja sobre una cinta transportadora. La cinta acelera la caja, que tiene una masa de 1,5 kg, a razón de 1200 cm/s².
¿Qué fuerza neta está actuando sobre la caja? Expresala en newton.

Problema 3

Martín ayuda a mover una heladera nueva empujándola sobre el piso con una fuerza de 24 N. La heladera tiene una masa de 12 kg y se desliza sin fricción.
¿Qué aceleración adquiere la heladera?

Problema 4

En el laboratorio escolar, Sofía empuja una mesa con ruedas para cambiarla de lugar. Aplica una fuerza constante de 36 N, y la mesa acelera a 2 m/s².
¿Cuál es la masa de la mesa con ruedas?

Problema 5

Una caja de herramientas de 3000 g está sobre el suelo del taller. Un operario la empuja aplicando una fuerza de 18 N para desplazarla.
¿Qué aceleración adquiere la caja? Expresala en m/s².

Problema 6

Un automóvil parte del reposo y las ruedas le imprimen una fuerza total de 3600 N durante 4 segundos. Si la masa del vehículo es de 900 kg,
¿qué velocidad final alcanza al cabo de ese tiempo?

Problema 7

Pelota de tenis golpeada en un saque que obtiene una velocidad de 227 km/h, grabado a 6000 cuadros por segundos. Se observa que la raqueta entra en contacto con la pelota durante 15 cuadros, es decir, 0,025s.

En un saque de tenis, la raqueta aplica una fuerza sobre la pelota para que pase de 0 m/s a 63 m/s (equivalente a 227 km/h) en solo 0,025 segundos. La masa de la pelota es de 57g.
¿Qué fuerza promedio aplica la raqueta sobre la pelota?

Problema 8

Un conductor circula por una ruta a 30 m/s (equivalente a 108 km/h). Al entrar a una ciudad, aplica los frenos para reducir la velocidad a 10 m/s (equivalente a 36 km/h) en 5 segundos. La masa del automóvil es de 1200 kg.
¿Qué fuerza de frenado promedio se aplicó sobre el vehículo?