Física

Dinámica II. Fuerzas fundamentales

Estudio de las principales fuerzas mecánicas: fuerza gravitatoria, peso, fuerza normal, fuerza de rozamiento y tensión.

Ley de la Gravitación Universal: Enunciada por Newton. La fuerza de atracción entre dos cuerpos es igual al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:
F=Gm1⋅m2r2F = G \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}
Fuerza gravitatoria
  • F: el módulo de la fuerza. La dirección es de atracción sobre la línea que une las dos masas
  • G: Cte. de Gravitación Universal, G=6,67⋅10−11 N ⋅m2⋅kg−2G=6,67 \cdot 10^{-11} \text{ N } \cdot \text{m}^2 \cdot \text{kg}^{-2}
  • m1_1, m2_2: masas de los cuerpos
  • r: distancia entre los centros de masas de los dos cuerpos
Peso de un cuerpo
El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo. Tiene dirección vertical hacia abajo, aplicada sobre el centro de masas del cuerpo.
P=m⋅gP = m \cdot g

Con g la aceleración de la gravedad g=9,81 m ⋅s−2g=9,81 \text{ m } \cdot \text{s}^{-2}
Es la fuerza de reacción que aparece entre las superficies de contacto entre dos cuerpos cuando un cuerpo hace fuerza sobre el otro. Tiene dirección perpendicular a la superficie de apoyo. Ejemplos:
Fuerza normal ejemplos
Aparece en la superficie de contacto entre dos cuerpos, cuando un cuerpo sufre una fuerza que lo hace tender a deslizarse sobre otro. Tiene sentido opuesto al desplazamiento del cuerpo.
Fr=μ⋅NFr = \mu \cdot N
  • N: la normal en la superficie de contacto
  • μ\mu: coeficiente de rozamiento que depende del material de las superficies en contacto. Es adimensional.
Fuerza de rozamiento
Se distingue entre el rozamiento estático, μS\mu_S y dinámico, μD\mu_D:

Coeficiente de rozamiento estático, μS\mu_S: aplica cuando la resultante que tira del cuerpo no consigue moverlo:
FrS≤μS⋅NFr_S \leq \mu_S \cdot N
El cuerpo comenzará a moverse cuando F>FrSF > Fr_S

Coeficiente de rozamiento dinámico, μD\mu_D: aplica cuando el cuerpo desliza. Generalmente es menor que el estático. Esto lo comprobamos en la experiencia; es más difícil empezar a arrastrar un cuerpo que mantener el movimiento una vez que el cuerpo ya se mueve:
FrS>FrDFr_S > Fr_D
Aparece internamente en una cuerda o cable tenso. Si suponemos cuerdas y poleas sin rozamiento, a todo lo largo de una misma cuerda aparece la misma tensión.
Tensión en cuerdas y poleas
Ley de Hooke: El alargamiento que experimenta un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre el mismo
Ley de Hooke en un muelle
FX=k⋅xF_X = k \cdot x
  • k: constante de proporcionalidad propia del cuerpo elástico, en N⋅m−1\text{N}\cdot\text{m}^{-1}
  • x: alargamiento respecto a la posición de equilibrio en m
Sobre un cuerpo que describe un movimiento circular actúa una fuerza dirigida hacia el centro que lo mantiene en la trayectoria. Es la fuerza centrípeta. Esta fuerza puede ser una tensión en la cuerda que lo ata, el rozamiento de la carretera de un coche en una curva etc. Si esta fuerza desaparece, el cuerpo se escaparía de la curva por la trayectoria tangente.
FC=m⋅v2R⇒FC=m⋅ω2RF_C = m \cdot \frac{v^2}{R} \Rightarrow F_C = m \cdot \omega^2 R
Fuerza centrípeta en una curva
Fuerza centrífuga: es una fuerza subjetiva, y por lo tanto ficticia, que experimenta un cuerpo que se mueve dentro de un sistema de referencia en movimiento circular: El valor sería el mismo que el de la fuerza centrípeta.
Ley de Coulomb: La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, con dirección en la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario
F=Kq1⋅q2r2F = K \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}
  • F: el módulo de la fuerza.
  • K: Constante de Coulomb K=9⋅109 N⋅m2⋅C−2\text{K}=9 \cdot 10^9 \text{ N}\cdot\text{m}^2\cdot\text{C}^{-2}
  • q1_1, q2_2: cargas
  • r: distancia entre las cargas