Fuerza en física

4 de octubre de 2010 Publicado por Monica González

En física, una fuerza es una influencia que hace que un cuerpo libre de someterse a una aceleración. Fuerza también puede ser descrito por conceptos intuitivos como un empujón o un tirón que puede causar un objeto con masa para cambiar su velocidad (que incluye a comenzar a moverse de un estado de reposo), es decir, acelerar, o que pueden hacer que un objeto flexible a deformarse. Una fuerza tiene tanto magnitud y dirección, lo que es un vector de cantidad.

FUER1

Segunda ley de Newton, F = ma, se puede afirmar que un objeto con una masa constante se acelerará en proporción a la fuerza neta que actúa sobre y en proporción inversa a su masa, una aproximación que se rompe cerca de la velocidad de la luz. La formulación original de Newton es exacta, y no se descomponen: la versión que indica esta la fuerza neta que actúa sobre un objeto es igual a la tasa a la que su impulso cambia.

Conceptos relacionados con la aceleración de las fuerzas son de empuje, el aumento de la velocidad del objeto, arrastre, disminuyendo la velocidad de cualquier objeto, y del esfuerzo de torsión, causando cambios en la velocidad de rotación sobre un eje.

Fuerzas que no actúan de manera uniforme en todas las partes de un cuerpo también causarán tensiones mecánicas, un término técnico para las influencias que causan la deformación de la materia. Mientras que el estrés mecánico puede permanecer incrustado en un objeto sólido, poco a poco deformando, la tensión mecánica en un fluido determina cambios en su presión y volumen.

Los filósofos de la antigüedad utilizaban el concepto de la fuerza en el estudio de las fijas y en movimiento objetos y máquinas simples, pero pensadores como Aristóteles y Arquímedes conserva errores fundamentales en la comprensión de la fuerza, debido a una comprensión incompleta de la no-obvia a veces la fuerza de fricción, y una insuficiencia de vista tanto de la naturaleza del movimiento natural.

La mayoría de los malentendidos anteriores sobre el movimiento y la fuerza se han corregido con el tiempo por Sir Isaac Newton, con su intuición matemática, formuló las leyes del movimiento que se mantuvo sin cambios durante casi 300 años. A principios del siglo 20, Einstein desarrolló una teoría de la relatividad que predijo correctamente que la acción de las fuerzas sobre los objetos con el aumento de momentos cerca de la velocidad de la luz proporcionó información también en las fuerzas producidas por la gravitación y la inercia.

Evidentemente se trata de un tema realmente fascinante, las fuerzas que afectan nuestro cuerpo al caminar, las grandes estructuras que el hombre ha creado, las naves espaciales y los largos puentes suspendidos. Solo son avances de la física que debemos agradecer a estos grandes maestros que nombramos momento a momento haciendo referencias a sus

descubrimientos y leyes que al día de hoy siguen en pié, demostrando que se trataban de grandes de la ciencia, hicieron historia y fueron el punta pie inicial para todo lo que hoy vemos a nuestro alrerdedro

Diferencia de fricción estática y cinética

Escrito por Chuck Cox | Traducido por Mary Gomez

Diferencia de fricción estática y cinética

La fricción posee una función importante en nuestra vida cotidiana.

Hemera Technologies/Photos.com/Getty Images

La fricción es uno de los muchos fenómenos cotidianos físicos que tendemos a pasar por alto e incluso dar por sentado. Cuando pensamos en la fricción, por lo general la vemos en términos negativos. Por ejemplo, el automóvil promedio consume aproximadamente el 20 por ciento de la potencia del motor sólo para superar la fuerza de la fricción. Cada vez que hacemos trabajo físico, normalmente debemos vencer tales fuerzas. Sin embargo, la fricción también tiene algunos aspectos positivos. Para empezar, no seríamos capaces de caminar sin ella, sería imposible escribir sin fricción y muchos edificios y estructuras no se mantendrían de pie en su ausencia.

Los dos tipos de fricciónExisten dos tipos básicos de fricción: estática y cinética. La fricción es tratada como una fuerza por los matemáticos y físicos, y se aplica en la segunda ley de Isaac Newton, en la que la fuerza es igual a masa por aceleración. La estática es la fuerza de fricción aplicada a los cuerpos en reposo. Un ejemplo de esto es cuando se coloca un bloque de hormigón en un tejado inclinado y el bloque permanece en reposo. La fricción estática es lo que impide que se caiga del techo. La fricción cinética es la fuerza de fricción que actúa en contra de los cuerpos en movimiento. Si empujamos el bloque de hormigón hacia arriba del techo, hay que ejercer una fuerza lo suficientemente fuerte como para superar tanto la fuerza de fricción como el peso del bloque.

Fricción estáticaLa fricción estática es de hecho una relación entre dos superficies que están en contacto y en reposo. La fuerza máxima de roce estático de dos objetos en contacto es igual a la cantidad más pequeña de fuerza requerida para iniciar el movimiento entre ellos. La fricción estática se define matemáticamente como: F (s) es menor que o igual a u * N Donde F (s) = fuerza de fricción estática, u = coeficiente de fricción y N = fuerza requerida para crear movimiento. El coeficiente de fricción es un valor menor a 1 y es una función de las propiedades de la superficie. Las superficies más rugosas tendrían un valor de coeficiente más bajo, mientras que las superficies lisas o lubricadas tienen valores más altos.

Fricción cinética

Al igual que con la fricción estática, la fricción cinética es también una relación entre las dos superficies de los objetos implicados. La fuerza de fricción cinética de los dos objetos que están en movimiento relativo se define matemáticamente como: F (k) = u * N Donde F (k) = fuerza de fricción cinética, u = coeficiente de fricción, y N = fuerza requerida para crear movimiento. El coeficiente de fricción es un valor menor a 1 y es una función de las propiedades de la superficie. Las superficies más rugosas tendrían un valor de coeficiente más bajo, mientras que las superficies lisas o lubricadas tienen valores más altos.

Fuerzas de fricción en la vida diaria

Una evaluación de las fuerzas de fricción no estaría completa sin examinar algunos de los casos en que ocurren en nuestro mundo. Un buen ejemplo de las fuerzas estáticas de acción son las casas de playa que vemos sobre pilotes. La mayoría de estos pilotes se mantienen en su lugar por la fuerza estática de fricción entre la arena mojada y el pilote. Si fuéramos a dejar caer al mismo tiempo un mármol y una pluma del edificio Empire State, nuestros instintos nos dicen que el mármol golpearía el suelo. Sin embargo, las leyes de Newton nos dicen que deberían aterrizar al mismo tiempo. La razón por la que no será así es debido a la fricción con el aire, y el hecho de que tienen diferentes coeficientes de fricción cinética.

PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Se describe como presión al acto y resultado de comprimir,

estrujar o apretar; a la coacción que se puede ejercer sobre un

sujeto o conjunto; o la magnitud física que permite expresar el poder

o fuerza que se ejerce sobre un elemento o cuerpo en una cierta

unidad de superficie.

La hidrostática, por su parte, es la rama de la mecánica que se especializa en el equilibrio de los fluidos. El término también se utiliza como adjetivo para referirse a lo que pertenece o está vinculado a dicha área de la mecánica.

La presión hidrostática, por lo tanto, da cuenta de la presión o fuerza que el peso de un fluido en reposo puede llegar a provocar. Se trata de la presión que experimenta un elemento por el sólo hecho de estar sumergido en un líquido.

El fluido genera presión sobre el fondo, los laterales del recipiente y sobre la superficie del objeto introducido en él. Dicha presión hidrostática, con el fluido en estado de reposo, provoca una fuerza perpendicular a las paredes del envase o a la superficie del objeto.

El peso ejercido por el líquido sube a medida que se incrementa la profundidad. La presión hidrostática es directamente proporcional al valor de la gravedad, la densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentra.

La presión hidrostática (p) puede ser calculada a partir de la multiplicación de la gravedad (g), la densidad (d) del líquido y la profundidad (h). En ecuación: p = d x g x h.

Este tipo de presión es muy estudiada en los distintos centros educativos para que los jóvenes puedan entenderla bien y ver cómo la misma se encuentra en su día a día. Así, por ejemplo, uno de los experimentos más utilizados por los profesores de Ciencias para explicar aquella es la que se realiza mezclando diversos fluidos.

En este caso concreto, es habitual que apuesten por introducir en un vaso o cubeta agua, aceite y alcohol. Así, en base a las densidades de cada uno de estos líquidos se consigue que el agua quede abajo del todo, el aceite sobre ella y finalmente sobre ambos se situará el alcohol. Y es que este cuenta con una mayor densidad.

En el ámbito sanitario se habla también de lo que se conoce como presión hidrostática capilar para definir a aquella que se sustenta en el bombeo del corazón y que lo que hace es empujar la sangre a través de los vasos. Frente a ella está también la presión hidrostática intersticial que, por su parte, es la que lleva a cabo el líquido intersticial, que es aquel que se encuentra alojado en el espacio que hay entre las células.

Asimismo en este campo, también está la llamada presión osmótica capilar que es la que desarrollan las proteínas plasmáticas, empujan el agua hacia el interior del vaso en cuestión. Y finalmente nos encontramos con la presión osmótica intersticial, que también realizan aquellas proteínas pero que se define por una concentración más baja que la anterior.

PESO ESPECÍFICO

El peso es la fuerza que ejerce el planeta para atraer a los cuerpos.

La magnitud de la fuerza en cuestión también se conoce como peso.

Peso, por otra parte, se suele usar como sinónimo de masa, aunque

este concepto nombra específicamente el nivel de materia del cuerpo

(más allá de la fuerza gravitatoria).

Es importante destacar que el kilopondio (también conocido como kilogramo-fuerza) es la fuerza que ejerce la gravedad del planeta Tierra sobre una masa de un kilogramo. Esto quiere decir que el valor del peso específico expresado en kilopondios sobre metro cúbico resulta equivalente al valor de la densidad (que se expresa en kilogramos sobre metro cúbico).

El peso específico, por lo tanto, es el peso de una sustancia por unidad de volumen. La densidad, por otra parte, refiere a la masa de una sustancia por unidad de volumen y se obtiene a través de la división de una masa conocida del material en cuestión por su volumen.

Si tomamos el caso del agua congelada, advertiremos que su peso específico es de 9170 newtons sobre metro cúbico, mientras que su densidad es de 0,917 kilogramos sobre metro cúbico.

Peso específicoSi bien la densidad y el peso específico son conceptos diferentes, tienen una estrecha relación entre sí. Por ejemplo, si tomamos la fórmula del peso de un cuerpo (P = m . g, masa por aceleración de la gravedad) y la usamos para sustituir la variable p en la fórmula de peso específico (Pe = p / V, peso sobre volumen), obtenemos lo siguiente: Pe = m.g / V. Esto también puede expresarse como Pe = m/V . g y, dado que la densidad es la masa sobre el volumen, puede concluirse que el peso específico es igual a la densidad multiplicada por la aceleración de la gravedad: Pe = d . g.

Conocer el peso específico de un cuerpo puede ser muy importante a nivel industrial para determinar cuáles son las mejores condiciones para su procesamiento, por ejemplo. Todo dependerá de las características del producto que se planea obtener. Gracias a la determinación del peso específico, y también en algunos casos de la densidad, se puede obtener la mejor calidad física y fisiológica de ciertos productos, tales como el arroz, el vino (a través del análisis del mosto, ya que a mayor peso específico, mayor contenido de azúcar), las gemas y el cemento.

Peso específico relativo

Se denomina peso específico relativo de una sustancia dada es su peso unitario dividido por el peso unitario del agua cuando se destila a una temperatura de 4 °C. Este valor se usa para la predicción del peso unitario de un suelo, para realizar el análisis de hidrómetro y para el cálculo de la relación de vacíos de un suelo. Para los granos es el valor considerado promedio y

por lo general sirve para llevar a cabo la clasificación de sus minerales. Cabe mencionar que este concepto también se denomina gravedad específica.

Cuando se desea determinar el peso específico relativo de un suelo se establecen dos procedimientos: uno para aquéllos que consisten de partículas más pequeñas de 5 milímetros; otro para los restantes. Por medio de un tamiz número 4 es posible realizar dicha clasificación, para aplicar el método que corresponda a cada muestra, luego de lo cual se deberá obtener el promedio ponderado de ambas.

Principio de Arquímedes

Ejemplo del Principio de Arquímedes: El volumen adicional en la segunda probeta corresponde al volumen desplazado por el sólido sumergido (que naturalmente coincide con el volumen del sólido).

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza1 recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así:

E = m\;g = \rho_\text{f}\;g\;V\;

o bien

\mathbf E = - m\;\mathbf g = - \rho_\text{f}\;\mathbf g\;V\;

donde E es el empuje, ρf es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa. De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales2 y descrito de modo simplificado3 ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

Historia[editar]

La anécdota más conocida sobre Arquímedes, matemático griego, cuenta cómo inventó un método para determinar el volumen de un objeto con una forma irregular. De acuerdo con Vitruvio, arquitecto de la antigua Roma, una nueva corona con forma de corona triunfal había sido fabricada para Hierón II, tirano gobernador de Siracusa, el cual le pidió a Arquímedes determinar si la corona estaba hecha de oro puro o si un orfebre deshonesto le había agregado plata.4 Arquímedes tenía que resolver el problema sin dañar la corona, así que no podía fundirla y convertirla en un cuerpo regular para calcular su densidad.

Mientras tomaba un baño, notó que el nivel de agua subía en la tina cuando entraba, y así se dio cuenta de que ese efecto podría usarse para determinar el volumen de la corona. Debido a que la compresión del agua sería despreciable,5 la corona, al ser sumergida, desplazaría una cantidad de agua igual a su propio volumen. Al dividir la masa de la corona por el volumen de agua desplazada, se podría obtener la densidad de la corona. La densidad de la corona sería menor si otros metales más baratos y menos densos le hubieran sido añadidos. Entonces, Arquímedes salió corriendo desnudo por las calles, tan emocionado estaba por su

descubrimiento para recordar vestirse, gritando "¡Eureka!" (en griego antiguo: "εὕρηκα" que significa "¡Lo he encontrado!)"6

La historia de la corona dorada no aparece en los trabajos conocidos de Arquímedes, pero en su tratado Sobre los cuerpos flotantes él da el principio de hidrostática conocido como el principio de Arquímedes. Este plantea que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desalojado; es decir, dados dos cuerpos que se sumergen en el seno de un fluido (ej:agua), el más denso o el que tenga compuestos más pesados se sumerge más rápido, es decir, tarda menos tiempo para llegar a una posición de equilibrio. Esto sucede por el gradiente de presión que aparece en el seno del fluido, que es directamente proporcional a la profundidad de inmersión y al peso del propio fluido.7

Demostración[editar]

Aunque el principio de Arquímedes fue introducido como principio, de hecho puede considerarse un teorema demostrable a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido en reposo. Mediante el teorema de Stokes (igualmente el principio de Arquímedes puede deducirse matemáticamente de las ecuaciones de Euler para un fluido en reposo, que a su vez pueden deducirse generalizando las leyes de Newton a un medio continuo). Partiendo de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido:

(1)\rho_f\left[\frac{\part\mathbf{v}}{\part t} +\mathbf{v}(\boldsymbol\nabla\cdot \mathbf{v})\right]= \mu\Delta\mathbf{v} - \boldsymbol\nabla p + \rho_f\mathbf{g}

La condición de que el fluido incompresible que esté en reposo implica tomar en la ecuación anterior \mathbf{v}=0, lo que permite llegar a la relación fundamental entre presión del fluido, densidad del fluido y aceleración de la gravedad:

(2)0 = - \boldsymbol\nabla p + \rho_f\mathbf{g}

A partir de esa relación podemos reescribir fácilmente las fuerzas sobre un cuerpo sumergido en términos del peso del fluido desalojado por el cuerpo. Cuando se sumerge un sólido K en un fluido, en cada punto de su superficie aparece una fuerza por unidad de superficie \scriptstyle \mathbf{f} perpendicular a la superficie en ese punto y proporcional a la presión del fluido p en ese punto. Si llamamos \scriptstyle \mathbf{n} = (n_x,n_y,n_z) al vector normal a la superficie del cuerpo podemos escribir la resultante de las fuerzas \scriptstyle \mathbf{f} = -p\mathbf{n} sencillamente mediante el teorema de Stokes de la divergencia:

(3)\begin{cases}

F_x = \int_{S_K} f_x dS = \int_{S_K} -p n_x dS\\

F_y = \int_{S_K} f_y dS = \int_{S_K} -p n_y dS\\

F_z = \int_{S_K} f_z dS = \int_{S_K} -p n_z dS \end{cases} \quad \Rightarrow \begin{cases}

F_x = \int_{V_K} \cfrac{\part (-pn_x)}{\part x} dV \\

F_y = \int_{V_K} \cfrac{\part (-pn_y)}{\part y} dV \\

F_z = \int_{V_K} \cfrac{\part (-pn_z)}{\part z} dV \end{cases}

\Rightarrow\qquad \mathbf{F} = \int_{\part V_K} -p \mathbf{n}\cdot d\mathbf{S}=

\int_{V_K} -\boldsymbol\nabla p\ dV = \int_{V_K} -\rho_f \mathbf{g}\ dV = -\rho_f \mathbf{g}\ V_K

donde la última igualdad se da solo si el fluido es incompresible.

Prisma recto[editar]

Para un prisma recto de base Ab y altura H, sumergido en posición totalmente vertical, la demostración anterior es realmente elemental. Por la configuración del prisma dentro del fluido las presiones sobre el área lateral solo producen empujes horizontales que además se anulan entre sí y no contribuyen a sustentarlo. Para las caras superior e inferior, puesto que todos sus puntos están sumergidos a la misma profundidad, la presión es constante y podemos usar la relación Fuerza = presión x Área, y teniendo en cuenta la resultante sobre la cara superior e inferior, tenemos:

(4)E = p_{inf}A_b-p_{sup}A_b \;