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Fuerza

Las leyes de Newton

El concepto de fuerza proviene de la experiencia común. Al decir que hacemos fuerza o que empujamos con fuerza, describimos algo muy concreto. La ciencia física aprovecha este concepto común para, con sus métodos, explicarlo de forma rigurosa.

    Decidimos si un cuerpo está sometido a una fuerza determinando si posee una aceleración y tomando en cuenta las fuerzas que tienden a frenar ese impulso inicial: los rozamientos con el aire y la superficie de contacto, de haberla. El hecho de que un cuerpo se mueva no es una indicación de que una fuerza esté actuando sobre él. La velocidad de un cuerpo puede conservarse indefinidamente hasta que una fuerza le obligue a moverse más despacio.

    La primera ley de Newton, es la formulación de este hecho: todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de velocidad uniforme si ninguna fuerza actúa sobre él.

    Consecuencia de esta primera ley es que, si alguna fuerza actúa sobre un cuerpo, éste adquiere una aceleración.

    La segunda ley de Newton asegura que la aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él. La constante de proporcionalidad entre fuerza y aceleración, es una característica del cuerpo a la que denominamos masa. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo más difícil será acelerarlo, es decir, mayor fuerza habrá que aplicarle para que adquiera una aceleración. La masa corresponde al concepto de cantidad de materia.

    Las dos leyes de Newton, pues, afirman que las fuerzas son capaces de producir aceleraciones sobre los cuerpos proporcionalmente a la magnitud de la fuerza y a la masa del cuerpo; al mismo tiempo, si no hay fuerza no hay aceleración y por ello el cuerpo continúa con la velocidad que poseía.

Propiedades de las fuerzas

¿Qué ocurre cuando sobre un mismo cuerpo actúan varias fuerzas a la vez?

    Las fuerzas se aplican en una dirección determinada, lo que debe tenerse en cuenta para conocer la dirección y la magnitud de la fuerza resultante de otras. A estos hechos se les denomina carácter vectorial de la fuerza.

    Hay magnitudes físicas, como la masa o la energía, de las que no se puede decir que vayan dirigidas a ninguna parte: son magnitudes escalares. Pero hay otras, como la velocidad o la fuerza, de las que, aparte de su magnitud, es necesario especificar en qué dirección se efectúan. Por ello, la determinación de la suma de fuerzas que actúan sobre un cuerpo puede ser un problema.

    Ejemplo de lo citado es el hecho de que podemos ejercer fuerza sobre un objeto sin que por ello adquiera ninguna aceleración. Así, podemos aplicar fuerza contra una pared sin lograr moverla, ya que la pared está sostenida por fuerzas tanto en el suelo como en los materiales que la componen, que anulan la fuerza que hacemos. Sobre el punto en que apretamos la pared se ejercen simultáneamente dos fuerzas, la nuestra y la de la pared, que por ser iguales pero dirigidas en direcciones contrarias, se anulan. Por tanto, la suma de dos fuerzas no nulas puede ser igual a cero, dependiendo de la dirección en que se ejercen.

    La suma de dos fuerzas suele ser una fuerza intermedia en magnitud y en dirección. Para sumar dos fuerzas se sigue la siguiente regla: se juntan por su origen los dos vectores que las representan, y por el extremo de cada uno de ellos se traza una línea paralela al otro. Dibujando la diagonal del paralelogramo resultante se obtiene el vector que representa a la suma de las dos fuerzas:

Tipos de fuerzas

Todas las fuerzas que actúan entre los cuerpos, con excepción de las que aparecen a escala nuclear, pueden resumirse en dos: las fuerzas de la gravedad y las fuerzas electromagnéticas. Sin embargo, a escala microscópica encontramos fuerzas que parecen de otro tipo, aunque en última instancia se reduzcan a aquéllas. Así, los cuerpos elásticos dan lugar a fuerzas si se varían sus dimensiones; y los aumentos de temperatura en gases dan lugar a presiones que se aprovechan para mover trenes, aviones o automóviles.

    Además, existen otras fuerzas que se han denominado fuerzas ficticias, aun aceptadas en un plano de igualdad con las convencionales. Ejemplo de ellas son las fuerzas que aparecen en los movimientos de rotación. Cuando un automóvil describe una curva, podemos descomponer sus movimientos en pequeños avances en línea recta pero de dirección ligeramente distinta unos de otros. En cada momento la velocidad va variando; por ello, un cuerpo que describe una curva posee una aceleración —ya que, por definición, una aceleración es un cambio de velocidad— meramente por no moverse en línea recta. En consecuencia, toda aceleración es producto de una fuerza.

    En el caso del automóvil, esta fuerza la ejerce el suelo sobre el automóvil a medida que varía la posición de las ruedas al girar el volante. A esta fuerza y a la aceleración resultante las denominamos fuerza centrípeta.

    Pero visto desde el interior del automóvil lo que ocurre es algo distinto. El que recibe la fuerza necesaria para dar la curva es el automóvil. Los ocupantes reciben esta fuerza transmitida por la carrocería de tal manera que parece que sientan una fuerza que los dirige hacia fuera de la curva. Los pasajeros tenderían a seguir en línea recta, pero el automóvil les obliga a describir la curva. La fuerza que aparece en el interior de los cuerpos que describen rotaciones es lo que se denomina fuerza centrífuga, que es el clásico ejemplo de fuerza ficticia. Ficticia porque no es provocada por acción directa alguna, sino que es consecuencia de un movimiento.

    Sin embargo, hay casos en que la magnitud de estas fuerzas ficticias puede ser varias veces mayor que la fuerza de la gravedad. Esto ocurre en el interior de los cohetes espaciales en el momento del despegue.

    En las centrifugadoras de laboratorio se obtienen fuerzas ficticias cientos de miles de veces más intensas que la gravedad.

Ana Isabel Gil

¬ 01/09/2011