DINÁMICA DE LA PARTÍCULA.
1 INTRODUCCIÓN.
En este capítulo se sigue considerando un modelo para
hacer el estudio de la
dinámica sólo para el caso de partículas. Un modelo se
usa para representar la
realidad física y debe tener en cuenta dos aspectos conflictivos entre sí: a)
tiene que ser lo bastante simple para como
para ser elaborado con métodos matemáticamente rigurosos, b) debe ser realista
para que los resultados obtenidos
sean aplicables al problema considerado. Estos dos aspectos hacen que la
sencillez del
modelo, su belleza matemática, sea incompatible con la fidelidad al
problema real.
La dinámica estudia el movimiento de los cuerpos considerando las causas
que lo producen. Es una rama de la Mecánica que abarca
casi toda la Mecánica Clásica. En la Mecánica Clásica se restringe el estudio a
los cuerpos (partículas) grandes comparados con el tamaño de un átomo (~10-10
m) y para velocidades pequeñas comparadas con la de la luz (~3x108 m/s). Isaac Newton
(1642-1727) es el principal creador de la Mecánica Clásica. La Mecánica
Relativista estudia el movimiento de las partículas subatómicas, que se mueven
a
muy altas velocidades, es más general que la Mecánica
Clásica a la que incluye como
caso particular. Su creador fue A. Einstein (1879 – 1955).
En los primeros estudios, Galileo Galilei(1564-1642),
hizo un gran avance en
la comprensión del
movimiento. Las ideas de Galileo eran revolucionarias para su época, él propuso
la teoría científica que la Tierra giraba en torno al Sol,
teoría contraria a las doctrinas de la iglesia que imponían la creencia que la
Tierra era el centro del Universo, sin tener fundamentos para hacer esa
afirmación. Quienes se oponían a esas creencias eran
severamente castigados, con
penas tales como
morir quemado en la hoguera u otras barbaries impuestas por
la religión católica. Galileo se encontró en esa situación
peligrosa, por lo que
no pudo publicar sus resultados y fue obligado a retractarse públicamente.
Posteriormente, la inquisición española propicio que todas
sus universidades
aprobaran y estudiaran la tesis de Galileo. Durante el Jubileo 2000 la
Iglesia
Católica tuvo que pedir perdón al mundo científico por no haber
creído en la
teoría de Galileo y le pidió perdón a Galileo mismo. Pero un filósofo
contemporáneo de Galileo, Giordano Bruno (1548-1600) tuvo un final trágico, ya
que
105
murió en Roma en 1600 quemado en la hoguera de la Inquisición, por defender las
mismas ideas de Galileo. En la actualidad, la Iglesia Católica continúa
con sus ideas retrógradas y dictatoriales porque, por ejemplo, acepta la tesis
abortiva de la ‘píldora del día después’, a pesar de que seha demostrado
científicamente que no es abortiva, o se oponía a la aprobación de leyes como
la
Ley del Divorcio, o pone trabas para la realización del programa Jornadas de
Conversación, Afectividad y Sexualidad, JOCAS, de educación sexual en los
Liceos. Sin embargo la iglesia se resiste a aceptar las sanciones en contra de
sus sacerdotes que son acusados de abusos deshonestos, y los defiende sCómo
eso va a ser algo aceptable? Ojalá que no se deba
esperar otros 500 años para
que la iglesia reconozca este nuevo error.
Antes de Galileo la mayoría de los filósofos pensaba que se necesitaba una
‘influencia externa’ para mantener a un cuerpo en movimiento. Creían que un
cuerpo se encontraba en su estado natural cuando estaba en reposo, y que para
que el cuerpo se moviera en línea recta con velocidad constante, tenia que
moverlo continuamente algún agente externo, de otra manera naturalmente se
detendría. Para probar esa idea, Galileo
empezó por encontrar una forma de
liberar a un cuerpo de toda influencia externa. En la
naturaleza eso no se puede lograr, porque aún cuerpos muy alejados de un cuerpo de prueba pueden
ejercer una influencia sobre él y cambiar su movimiento. Pero se puede hacer
que las influencias externas sean muy pequeñas (es el
modelo) y pensar que
realmente no existen para tener una idea de cómo sería el movimiento. La
experiencia deGalileo fue deslizar un bloque de madera sobre una
superficie
bajo una influencia externa (por ejemplo la mano que lo empuja), si se elimina
la influencia externa el bloque se detiene, por eso los filósofos pensaban que
permanentemente tenia que estar actuando la influencia externa para mantener
el movimiento. Pero si se elige como cuerpo una esfera y se hace
deslizar sobre una superficie muy lisa, al ponerla en movimiento lo hará con
mucha facilidad sin ninguna influencia externa, (el contacto entre las dos
superficies es
otra influencia externa que se desprecia). En el caso que no exista ninguna
influencia externa sobre un cuerpo después que se lo
pone en movimiento, nunca más se detendría. A la influencia externa que hace
que un cuerpo este detenido o en movimiento se le
llama una fuerza.
sQué es fuerza?
En la vida cotidiana se considera fuerza a una sensación común asociada con
la dificultad para mover o levantar un cuerpo. En Física se identifica una fuerza por el efecto que produce.
Uno de los efectos de una fuerza es cambiar el
106
estado de reposo o de movimiento del cuerpo, más concretamente, una
fuerza
cambia la velocidad de un objeto, es decir produce una aceleración. Cuando se
aplica una fuerza sobre un cuerpo y no se produce
movimiento, entonces puede cambiar su forma, aún si el cuerpo es muyrígido. La
deformación puede o
no ser permanente. Entonces los efectos de la fuerza neta son dos: cambiar el
estado de movimiento de un cuerpo o producir una
deformación, o ambas cosas simultáneamente.
Normalmente sobre un cuerpo pueden actuar varias
fuerzas, entonces el cuerpo acelerará cuando el efecto de la fuerza neta que
actúa sobre él no es cero.
Se llama fuerza neta o fuerza resultante a la suma de todas las fuerzas que
actúan sobre un cuerpo. Si la fuerza neta es cero, la
aceleración es cero, el
movimiento es con velocidad igual a cero (cuerpo detenido) o con velocidad
constante. Cuando un cuerpo está en reposo o se mueve
con velocidad constante, se dice que está en equilibrio. Para una fuerza
usaremos el símbolo F
Se pueden distinguir dos grandes clases de fuerzas: fuerzas de contacto,
representan el resultado del contacto físico entre el cuerpo y sus alrededores,
por
ejemplo mover un carro o estirar un resorte; y fuerzas de acción a distancia
que actúan a través del espacio sin que haya contacto físico entre el cuerpo y
sus alrededores, por ejemplo la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos
que caen en caída libre. Todas las diferentes formas de
fuerzas se encuentran
dentro de esas dos grandes clasificaciones.
Para describir el mundo, la física
contemporánea recurre a cuatro interacciones o fuerzas fundamentales, que
actúan sobre laspartículas de materia (y sobre las antipartículas), vehiculadas
por partículas llamadas vectores de interacción, que son: fotón (interacción
electromagnética), bosón (interacción débil), gluón (interacción fuerte) y
gravitón (interacción gravitacional).
1) Fuerzas electromagnéticas de atracción o repulsión entre partículas cargadas
en reposo o en movimiento, explica la cohesión de los átomos, es mucho más
intensa que la fuerza gravitacional.
2) Fuerzas nucleares intensas entre partículas subatómicas, responsable de la
existencia del núcleo atómico asegura la cohesión interna de los constituyentes
del núcleo atómico, protones y neutrones, y es responsable de un
gran número de reacciones y de desintegraciones; es la de mayor magnitud
(102 - 103 veces la fuerza electromagnética).
107
3) Fuerzas nucleares débiles de corto alcance, rige algunos procesos
radiactivos, establece la estabilidad de algunos núcleos, es varios órdenes de
magnitud (1012) menor que la fuerza electromagnética.
4) Fuerza de atracción gravitacional entre cuerpos debido a sus masas, entre
otras cosas hace que caigan las manzanas y que suba la marea, es la fuerza
de menor magnitud comparada con las otras.
Para que el concepto de fuerza sea exacto se
debe establecer un método para
medirla. Una fuerza se puede medir por el efecto que produce. Por ejemplose
puede usar la deformación que una fuerza produce en un
resorte, como
en la
figura 1. Si se aplica una fuerza verticalmente a un resorte y se estira una
unidad (figura 1a), le asignamos a la fuerza una magnitud unitaria de valor
F. Se aplica ahora otra fuerza al mismo resorte horizontalmente (figura 1b),
produciéndole un estiramiento de dos unidades, la magnitud de la fuerza será
de 2F. Si se aplican simultáneamente las dos fuerzas, el resorte se inclina, como
en la figura 1c, y se estira √5 veces. La fuerza equivalente que produce
ese estiramiento del resorte es la suma vectorial de F y 2F.
Es decir, la fuerza
es un vector.
Figura 1 a) izquierda, b) centro, c) derecha.
El instrumento para medir fuerzas se llama dinamómetro, es un
resorte que se
estira sobre una escala. Si se aplica una fuerza de una
unidad sobre el dinamómetro, el resorte se estira hasta que ejerce una fuerza
igual y contraria a la
108
aplicada. En la escala se mide el alargamiento del resorte y se le
asigna una
unidad de fuerza. De esa manera se calibra el dinamómetro y se usa para medir
fuerzas, por ejemplo se aplica una fuerza sobre el dinamómetro y si se estira
2.5 unidades, entonces la fuerza aplicada es 2.5 veces la unidad de fuerza.
Este procedimiento es válido para pequeños alargamientos del resorte, ya que
si lafuerza es muy intensa, se puede deformar y no volver a su forma original.
2 PRIMERA LEY DE NEWTON.
Antes de 1600 los filósofos afirmaban que el estado natural
de la materia era
el reposo. Galileo fue el primero que tuvo una idea distinta del
movimiento
haciendo experimentos. Esencialmente sus experimentos
consistían en analizar en forma semi-cuantitativa el movimiento de los cuerpos,
tratando de eliminar toda influencia externa que lo alterará, concluyendo que
el estado natural de los cuerpos no es el reposo, sino el resistirse a una
aceleración. Posteriormente, Newton, que
nació el año en que murió Galileo, perfeccionó los
experimentos de Galileo realizando cuidadosas mediciones experimentales, lo
que le permitió formular las ahora conocidas tres Leyes del
Movimiento de
Newton. La
primera Ley de Newton se puede enunciar de la siguiente manera
“Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo y uno en movimiento continuará en
movimiento con velocidad constante, a menos que actúe una fuerza sobre el
cuerpo que altere su estado de reposo o de movimiento”.
En otros términos se enuncia de la siguiente forma: si la suma de fuerzas que
actúa sobre un cuerpo es cero, su aceleración es cero.
Esto significa que la partícula se encuentra en equilibrio de traslación, y se
cumple la condición
r
r
∑F = 0
a = 0
(1)
Es importante darse cuenta que estaley no ha sido probada real y
verdaderamente, ya que no es posible eliminar totalmente las fuerzas que actúan
sobre
un cuerpo. Es una generalización de la experiencia.
109
La primera Ley de Newton se conoce también como Ley de Inercia,
porque
define un sistema de referencia inercial. Un sistema
de referencia inercial es
aquel en el cual si sobre un cuerpo no actúa fuerza alguna, este se mueve con
velocidad constante. En este sistema de referencia se
cumple la primera Ley
de Newton.
La Tierra no es un sistema de referencia inercial
porque tiene una aceleración
de 5.9 x 10-3 m/s2 por su traslación alrededor del Sol y una aceleración por
rotación en torno a su eje, que en el ecuador vale 3.4 x 10-2 m/s2. Como estos son
valores pequeños comparados con g, se puede suponer que la tierra es un sistema de referencia inercial. En la
naturaleza no existen los sistemas de referencia inercial. Un marco de referencia inercial que se mueve con velocidad
constante respecto a las estrellas muy lejanas, aparentemente fijas, es la
mejor
aproximación a un sistema de referencia inercial. Para nuestros efectos, en la
mayoría de los casos consideraremos a la tierra como un sistema de
referencia
inercial, ya que para los objetos que se mueven distancias cortas comparadas
con el radio terrestre sobre la superficie, se puedendespreciar los movimientos
de la Tierra.
3 CONCEPTO DE MASA.
sQué efecto tendrá una misma fuerza sobre cuerpos diferentes?
No es lo mismo golpear con el píe una pelota que un
adoquín. La masa es la propiedad del
cuerpo que determina el efecto de una fuerza aplicada sobre él. Cuando se
quiere cambiar el estado de movimiento de un cuerpo,
este se resiste al cambio. La inercia es la propiedad de la materia que hace
que se resista a cualquier cambio de su movimiento, ya sea en su dirección o
rapidez. Por ejemplo
los pasajeros de un automóvil que acelera sienten contra la espalda la fuerza
del asiento,
que vence su inercia y aumenta su velocidad. Cuando éste frena
los pasajeros tienden a seguir moviéndose y se mueven hacia delante, por lo
que deben apoyarse en el asiento delantero para no salir del suyo. Si se realiza
un giro, un paquete situado sobre el asiento se
desplazará lateralmente, porque
la inercia del
paquete hace que tienda a seguir moviéndose en línea recta.
La masa es el término que se usa para cuantificar la
inercia. Como mide la resistencia de un
cuerpo a cambiar su estado de movimiento o de reposo, se le
llama masa inercial, y está determinada por la razón entre la fuerza neta sobre
el cuerpo y su aceleración.
110
Otro método para encontrar la masa consiste en comparar la fuerzas
gravitacionalesejercidas sobre dos objetos, uno de ellos de masa desconocida y
el
otro de masa conocida. El objeto de masa desconocida
se coloca en uno de los
platillos de una balanza y en el otro platillo el conocido. Cuando los
dos brazos están balanceados la fuerza gravitacional
es la misma sobre cada uno de
ellos. Entonces las masas de los cuerpos son iguales; cuando
la masa se mide
de esta forma se llama masa gravitacional. Experimentos
muy precisos indican que ambas masas, inercial y gravitacional, son iguales.
La masa es una propiedad del
cuerpo, es independiente del medio que la
rodea
y del método usado para medirla, para un
cuerpo determinado tiene el mismo
valor en cualquier lugar del
universo. Es un escalar por lo que cumple las reglas
de la aritmética común, en el SI se mide en kg.
4 SEGUNDA LEY DE NEWTON.
Cuando la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo no es
cero, el cuerpo se mueve con una aceleración en la dirección de la fuerza.
Experimentalmente se demuestra que para una masa fija, si aumenta el valor de
la fuerza, su aceleración aumenta proporcionalmente; por ejemplo si F aumenta a
2F la aceleración a aumenta a 2a. Por otra parte, si
se aplica una fuerza fija, pero se aumenta el valor de la masa, la aceleración
del cuerpo disminuye proporcionalmente
al aumento de masa, por ejemplo si m aumenta a 2m la aceleración a disminuye a
(½)a. Lo opuesto seobserva si en lugar de considerar aumento de fuerza
o de masa, se consideran disminuciones.
La Segunda Ley de Newton se enuncia basándose en estos resultados
experimentales, resumiendo esas observaciones en el siguiente enunciado
“La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza
resultante que actúa sobre el cuerpo e inversamente proporcional a su masa.”
r
Escrita en términos matemáticos, si ∑ F es la fuerza neta que actúa sobre
un
cuerpo de masa m, la Segunda Ley de Newton se expresa como
111
r
r
r
dv
∑ F = ma = m dt
(2)
Esta ecuación fundamental muy sencilla y completa, encierra razonamientos
físicos muy profundos, producto de la experiencia, se conoce como la ecuación fundamental de movimiento. Permite describir el movimiento y la mayor
parte de los fenómenos de la Mecánica Clásica, (excepto los cambios de opinión
de una mujer que se rigen por una fuerza de voluntad o se producen por
motivos de fuerza mayor, son aleatorios, caóticos e impredecibles). Como
la
Mecánica Clásica es válida para cuerpos ‘grandes’ que se mueven con v µC.
Algunos valores de los
coeficientes de roce se dan en la tabla 1.
123
El gráfico de la magnitud de la fuerza aplicada F versus la fuerza de roce se
muestra en la figura 9. Cuando el cuerpo noestá en
movimiento, la fuerza de
roce estático se equilibra con la fuerza aplicada, hasta que el bloque esta a
punto de moverse, donde la fuerza FE alcanza su valor máximo. Luego que
comienza el movimiento del
bloque, surge la fuerza de roce cinético FC, que
disminuye rápidamente a un valor constante menor que la fuerza de roce estático
máxima FEmáx, independientemente del
valor de la fuerza aplicada.
Tabla 1 Algunos valores de coeficientes de roce.
Superficies
Madera- madera
Acero- acero
Vidrio- vidrio
Caucho- concreto
Cobre- vidrio
Hielo- hielo
Articulaciones humanas
µE
0.25-0.5
0.74
0.94
0.15
0.68
0.1
0.01
µC
0.2
0.57
0.40
0.06
0.53
0.03
0.003
Figura 9. Gráfico de la fuerza de roce.
Ejemplo 5. En el sistema mecánico de la figura 10a, se
aplica una fuerza
F inclinada un ángulo α sobre el cuerpo de masa
m, ubicado sobre la mesa
horizontal con coeficiente de roce µ. La polea por donde cuelga otro bloque
de masa M no tiene roce y la cuerda se considera inextensible y de masa
despreciable. Calcular la aceleración de las masas y la
tensión de la cuerda.
124
Solución: El sistema está en movimiento, por lo que se aplica la segunda Ley
de Newton a cada masa:
r
r
∑ F = ma
∑F
x
= ma x ,
∑F
y
= ma y
Como no se conoce la dirección del movimiento, podemossuponer que el
cuerpo de masa M desciende y tira a m hacia la derecha, lo que determina el
sentido de la aceleración del sistema, entonces del DCL para m (figura 10b)
y para M (figura 10c), en cada dirección x e y, se obtiene:
Figura 10. Ejemplo 5. a) izquierda,
b) centro, c) derecha.
Para m
Para M
eje x: T - Fcosα - FR = ma
(1)
eje y: N + Fsenα - mg= 0
(2)
eje y: T - Mg = -Ma
(3)
Además se sabe que por definición, la fuerza de roce es: FR =µ N.
De (2) se despeja N y se reemplaza en FR:
N = mg - Fsenα
De (3) se despeja T:
FR =µ(mg - Fsenα)
T = Mg - Ma
(4)
(5)
Ahora (4) y (5) se reemplazan en (1), lo que permite despejar la aceleración
125
Mg - Ma - Fcosα - µ(mg - Fsenα) = ma
a=
(M − µm )g − F (cos α − µsenα )
y la tensión T
T = Mg − M
M +m
(M − µm )g − F (cos α − µsenα )
M +m
8 FUERZA CENTRÍPETA.
Una partícula que se mueve sobre una trayectoria circular de radio R con
rapidez constante, se encuentra sometida a una aceleración radial de magnitud
v2/R. Por la segunda ley de Newton, sobre la partícula actúa una fuerza en la
dirección de a, hacia el centro de la circunferencia, cuya magnitud es
Fc = mac = m
v2
R
Por ser proporcional a la aceleración centrípeta, la fuerza Fc se llama fuerza
centrípeta. Su efecto es cambiarla dirección de la velocidad de un cuerpo. Se
puede sentir esta fuerza cuando se hace girar a un objeto atado a una cuerda
ya que se nota el tirón del
objeto. Las fuerzas centrípetas no son diferentes de
otras fuerzas ya conocidas, su nombre se debe a que apunta hacia el centro
de
una trayectoria circunferencial. Cualquiera de las fuerzas ya conocida pueden
actuar como fuerza centrípeta si producen el efecto correspondiente, como ser
la tensión de una cuerda, una fuerza de roce, alguna componente de la normal,
la fuerza gravitacional en el caso de movimientos de planetas y satélites, etc.
Ejemplo 6. Un cuerpo de masa
m, sujeto al extremo de una cuerda de longitud L, que describe una trayectoria
circular en el plano
horizontal, genera
una superficie cónica (figura 11a), por lo que se llama péndulo cónico. Calcular la rapidez y el período de revolución de la masa.
126
Figura 11 Ejemplo 6. a) izquierda, b) derecha.
Solución: La partícula está sometida a una aceleración centrípeta, y la fuerza
centrípeta correspondiente está dada por la componente de la tensión de la
cuerda en dirección radial hacia el centro de la circunferencia. De la segunda
Ley de Newton
r
r
∑ F = ma
∑ F
x
= ma x ,
∑F
y
= ma y
aplicada al DCL de m que se muestra en la figura 11b), se tiene:
eje x: Tsenα = ma = m v2/r
eje y: T cosα - mg = 0
Despejando T de la ecuación del eje y y reemplazando en la ecuación del eje x,
mg
v2
senα = m
cos α
r
v2
tan α =
rg
De la geometría de la figura, r = L senα, reemplazando se puede despejar
la
rapidez de m:
127
v 2 = gLsenα (tan α )
v = gLsenα (tan α )
Para calcular el periodo τ, esto es el tiempo que demora en dar una
vuelta, se
sabe que aˆ†x = vaˆ†t, con aˆ†x = 2π r, entonces:
aˆ†t =
2πr
=
v
τ = 2π
2πLsenα
Lgsenα (tan α )
L cos α
g
Se puede observar que el periodo es independiente del valor de la masa m del
péndulo.
8.1 La descripción del
peralte.
Para un cuerpo como un vehículo o un vagón de tren que se mueven describiendo
una trayectoria curva de radio r, sobre el vehículo debe actuar una
fuerza centrípeta para evitar que continúe moviéndose en línea recta y se salga
de la pista; esta es la fuerza para hacer que el vehículo gire por la pista
curva.
La fuerza centrípeta necesaria la da el roce de los neumáticos o las pestañas
de
las ruedas del
tren. Para no tener que confiar en el roce o reducir el desgaste
de los rieles y pestañas, la carretera o la vía pueden inclinarse, como
en la figura 12a. A la inclinación de la pista o vía se le llama ángulo de
peralte, α.
En este caso la componente de la normal dirigida hacia elcentro de curvatura
proporciona la fuerza necesaria para mantener al móvil en la pista.
Para una pista curva de radio r, con ángulo de peralte α, para la que se
considera la fuerza de roce FR, la fuerza centrípeta corresponde a las
componentes
de la normal y de la fuerza de roce hacia el centro de curvatura de la pista. Son
estas componentes las que producen la aceleración centrípeta que mantiene al
vehículo de masa m sobre la pista. Del
diagrama de cuerpo libre de la figura
128
12b, se puede calcular la fuerza de roce necesaria para que el vehículo no se
salga de la pista, por la segunda ley de Newton,
se obtiene
Figura 12 a) Angulo de peralte en una pista curva (izquierda), b) DCL de m
(izquierda).
v2
eje x : − Nsenα − FR cos α = −m
r
eje y : N cos α − FR senα − mg = 0
Multiplicando por cosα la ecuación en x y por senα la ecuación en y,
y sumándolas, se obtiene:
aŽ› v2
aŽž
FR = maŽœaŽœ cos α − gsenα aŽŸaŽŸ
aŽ r
aŽ
Casos particulares.
a) Si no se considera el roce, la FR = 0 y la ecuación anterior se reduce a
v2
cos α − gsenα = 0
r
v2
tan α =
rg
129
Se observa que el ángulo de peralte α depende de la rapidez y del radio de la
trayectoria curva y es independiente de la masa del vehículo. Para un
cierto
valor del
radio, no existe un ángulo que satisfaga laecuación para todas las
rapideces, por lo tanto las curvas se peraltan para una rapidez media. Por
ejemplo, si v = 72 km/hr = 20 m/s, y r = 100 m, se obtiene
aŽ› 20 2 aŽž
aŽŸaŽŸ = 22.2s
α = arctanaŽœaŽœ
100
9
.
8
×
aŽ
aŽ
b) Para el caso en que la curva o vía no tiene peralte, α = 0, la
expresión para
FR se reduce a:
v2
FR = m
r
La rapidez máxima que puede tener el móvil al girar sobre una carretera o vía
sin peralte, corresponde a aquella en la cual está a punto de resbalar hacia
afuera, en este caso debe actuar la FRmáx para obtener la rapidez máxima, que
no se debe superar para que el vehículo no se salga de la pista:
FR max = µ E max N = µ E max mg
v 2 max
µ E max mg = m
v max = µ E max rg
r
Este tratamiento completa una descripción básica para entender como se deben
inclinar las vías de trenes o carreteras en las curvas, para que los vehículos
al entrar en las curvas no se salgan de su pista para evitar accidentes.
130
9 BREVE DESCRIPCIÓN DE APLICACIONES DE ALGUNAS FUERZAS EN LA MEDICINA.
9.1 Fuerza peso.
La fuerza de gravedad que ejerce la Tierra sobre los objetos cerca de su
superficie se conoce como
el peso del
cuerpo. Esta fuerza es la que hace que todos
los cuerpos en caída libre caigan con g. La fuerza de gravedad sobre un cuerpo
extenso, requiere una especial consideración, porqueactúa sobre cada partícula
del objeto, la suma de todas estas fuerzas representa el peso del cuerpo. El
punto donde se considera que actúa esta fuerza total de gravedad se denomina
centro de gravedad del cuerpo (c.g.) Si el cuerpo es simétrico, el centro de
gravedad se ubica en el centro geométrico, y puede estar localizado dentro o
fuera del cuerpo. Si el objeto es asimétrico tal como el brazo de una persona
que se muestra en la figura 13, el c.g. se ubicará más cerca de su parte más
masiva y si además el objeto es flexible, como el cuerpo humano, la posición
del centro de gravedad varía si el objeto cambia de forma, por ejemplo el c.g.
estando parado es diferente que estando inclinado, en el primer caso se ubica
cerca del ombligo (dentro del cuerpo) y en el segundo caso incluso puede estar
fuera del cuerpo.
9.2 Fuerza muscular.
La postura y el movimiento de los animales están controlados por fuerzas
producidas por los músculos. Un músculo consta de un
gran número de fibras cuyas células son capaces de contraerse al ser
estimuladas por impulsos que llegan a ellas procedentes de los nervios. Un músculo está generalmente unido
en sus extremos a dos huesos diferentes por medio de tendones (figura 13).
Los dos huesos están enlazados por una conexión flexible
llamada articulación. La contracción del músculo produce
dos pares de fuerzas queactúan sobre los huesos y los músculos en el punto
donde están ligados los tendones. La
fuerza máxima que puede ejercer un músculo depende del área de su sección
transversal, y en el hombre es de unos 30 a 40 N/cm2. Esto es, para producir
una fuerza muscular de 600N se necesita un músculo con
una sección transversal 15 a 20 cm2. El estudio del funcionamiento
de las fuerzas musculares
para producir movimiento y equilibrio en el hombre recibe el nombre de
Kinesiología o biomecánica. Es de particular importancia para atletas y terapeutas
físicos, quienes necesitan saber qué fuerzas se requieren para producir
movimientos específicos del cuerpo.
131
Figura 13 Músculos del brazo y ubicación del centro de gravedad.
9.3 Fuerza de roce.
Si un objeto se mueve dentro de un fluido la fuerza de
roce se denomina fuerza de roce viscoso, y su valor es pequeño si se compara
con el roce entre superficies sólidas. Por lo tanto el uso
de líquidos lubricantes como
el aceite, que
se interpone entre las superficies en contacto, disminuye bastante el roce.
Análogamente, una capa de aire suministra un soporte
casi sin roce para los vehículos aerodeslizantes o para mesas experimentales de
aire.
Al caminar o correr, no advertimos roce en las rodillas ni
en las articulaciones
de las piernas. Estas y muchas otras articulaciones seencuentran bien
lubricadas mediante el líquido sinovial, que pasa a través del cartílago que
las reviste
cuando ellas se mueven (figura 14). Este lubricante tiende a ser absorbido
cuando la articulación está en reposo, aumentando entonces el rozamiento y
facilitando el mantener una posición fija. Esto constituye un
excelente ejemplo
132
de la sabia ingeniería biológica empleada por la naturaleza. El roce, por un
lado limita la eficiencia de máquinas y motores, pero por otro lado, hacemos
uso del roce en un gran número de situaciones,
como en el
frenar de automóviles, las correas transportadoras, al escribir, caminar…etc.
Figura 14 Lubricación de articulaciones por el líquido
sinovial.
Ejemplo 7. La figura 15 muestra la forma del tendón del cuadriceps al pasar por la rótula. Si la
tensión T del tendón es 1400 N. Calcular la a) la magnitud y b) la dirección de
la fuerza de contacto F ejercida por el fémur sobre la
rótula.
Solución. El diagrama de fuerzas
correspondiente a la rótula, se muestra en la
misma figura 15. Como el sistema está en
equilibrio, se aplica la primera ley de Newton,
que en componentes se escribe de la
siguiente forma
Figura 15 Ejemplo 7.
133
ΣFx = 0
F cos α − T cos 37 o − T cos 80 o = 0
ΣFy = 0
Fsenα + Tsen37 o − Tsen80 o = 0Reemplazando los valores de la fuerza
T se tiene:
F cosα − 1400 cos 37 o − 1400 cos 80 o = 0
Fsenα + 1400sen37 o − 1400sen80 o = 0
De la primera ecuación se obtiene:
F cos α = 1361.2 N
De la segunda ecuación se obtiene:
Fsenα = 536.2 N
Los valores obtenidos corresponden a las componentes rectangulares de F, por
lo tanto su magnitud es:
F = 536.2 2 + 1361.2 2
F = 1463N
Y su dirección es: tgα =
Fsenα
536.2
=
= 0.39
F cos α 1361.2
α = 215 o
Por lo tanto la fuerza de compresión F que ejerce el hueso sobre la rótula
tiene
un valor de 1463 N y actúa en un ángulo de 21,5s respecto a la horizontal.
134
PROBLEMAS.
1. Este libro de Física, está apoyado en el extremo superior de un resorte
vertical, que a su vez esta ‘parado’ sobre una mesa. Para cada componente del
sistema libro-resorte-mesa-tierra: a) dibujar el diagrama de
cuerpo libre, b) identificar todos los pares de fuerzas de acción y reacción.
2. De acuerdo con la leyenda, un caballo aprendió las
leyes de Newton.
Cuando se le pidió que tirara una carreta, se negó
rotundamente argumentando que si él tiraba la carreta hacia delante, de acuerdo
con la tercera ley de Newton
habría una fuerza igual hacia atrás. De esta manera
las fuerzas estarían balanceadas y de acuerdo con la segunda ley de
Newton, la carreta no aceleraría.Pero como usted es mas
diablazo que
el caballo, sabe que la carreta se mueve sCómo podría usted razonar con
este misterioso caballo, para hacerlo entender?
3. Dos alumnos ubicados en los bordes opuestos de un camino recto tiran a
un carro por el camino, con fuerzas de 160 N y 200 N, que forman un
ángulo de 30s y 60s respectivamente, con la dirección del camino. a)
Calcular la magnitud de la fuerza resultante y la dirección en la que se
moverá el carro. b) Calcular la fuerza necesaria para que el carro se
mueva en la dirección del camino. R: a) 256.1N, -21.3s,
b) F2 = 128N.
Una fuerza dependiente del tiempo, F = (8i
– 4tj) N (donde t está en segundos), se aplica a un objeto de 2 kg inicialmente
en reposo. a) sEn qué
tiempo el objeto se moverá con una velocidad de 15 m/s? b) sA qué distancia
está de su posición inicial cuando su velocidad es 15 m/s? c)
sCuál es la posición del
objeto en este tiempo? R: a) 3s, b) 20.1m, c
18i-9j m
5. Tres fuerzas F1 = (-2i + 2j)N, F2 = (5i – 3j)N, y
F3 = (-45i)N que
actúan sobre un objeto le producen una aceleración de valor 3 m/s2. a)
sCuál es la dirección de la aceleración? b) Cuál es la masa del objeto? c)
Si el objeto esta inicialmente en reposo, calcular su velocidad después
de 10s? R: a) 1.4s, b) 14 kg, c) 30 m/s.
Calcular la tensión en cada cuerdaen los sistemas que se muestran en
las figuras 13, 14 y 15. Las masas son de m kg y la
inclinación de
los planos es α grados. Hacer todas las
suposiciones necesarias.
7. Una masa de 5kg cuelga de una cuerda de 1m de longitud que se encuentra
sujeta a un techo. Calcular la
fuerza horizontal que aplicada a la
masa la desvíe 30 cm de la vertical y la mantenga en esa posición. R
15.7 N.
Figura 13
Figura 14
Figura 15
8. Una araña de 2 x 10-4 kg está suspendida de una
hebra delgada de telaraña. La tensión máxima que soporta la hebra antes
de romperse es 2.1 x
10-3 N. Calcular la aceleración máxima con la
cual la araña puede subir
por la hebra con toda seguridad. R: 0.5m/s2.
9. Una fuerza F aplicada sobre una masa m1 le produce una aceleración de
3m/s2. La misma fuerza aplicada a una masa m2 le produce una aceleración de
1m/s2. a) Calcular el valor de la proporción m1/m2. b) Si se
combinan m1 y m2, calcular la aceleración producida por F. R: a) 1/3, b
0.75 m/s2.
10. La velocidad promedio de una molécula de nitrógeno en el aire es cercana a
6.7x102m/s y su masa aproximadamente de 68x10-26kg. a) Si se
requieren 3x10-13s para que una molécula de nitrógeno golpee una pared
y rebote con la misma rapidez pero en dirección opuesta, calcular la
aceleración promedio de la molécula durante ese intervalo de tiempo. b)
Calcular lafuerza promedio que ejerce la molécula sobre la pared. R: a
5x1015 m/s2, b) 2.1x10-10 N.
Sobre el planeta X un objeto pesa 12 N. En el planeta Y, donde la
magnitud de la aceleración de caída libre es 1.6g, el objeto pesa 27 N.
Calcular: a) la masa del objeto y b) la aceleración de caída libre en el
planeta
X? R: a) 1.7 kg, b) 7m/s2.
12. Los instrumentos de un globo sonda meteorológico
tienen una masa de 1
kg. a) El globo se suelta y ejerce una fuerza hacia arriba de 5 N sobre los
instrumentos. sCuál es la aceleración del globo y de los instrumentos?
b) Después de que el globo ha acelerado durante 10 segundos,
los instrumentos se sueltan. sCuál es velocidad de los
instrumentos en el momento en que se sueltan? c) scuál es la fuerza neta
que actúa sobre los
instrumentos después de que se sueltan? d) sEn qué momento la dirección de su
velocidad comienza a ser hacia abajo?
13. Una mano ejerce una fuerza horizontal de 5 N para mover hacia la derecha a
dos bloques en contacto entre sí uno al lado del otro, sobre una
superficie horizontal sin roce. El bloque de la izquierda
tiene una masa de
2 kg y el de la derecha de 1 kg. a) Dibujar el diagrama de cuerpo libre
para cada bloque. Calcular: b) la aceleración del sistema, c) la aceleración y
fuerza sobre el bloque de 1 kg, d) la fuerza neta actuandosobre
cada cuerpo. R: b) 5/3 m/s2, c) 5/3 m/s2, 5/3N, d) 5 N.
1 Dos bloques de masas M y 3M ubicado a la derecha de M, que están sobre una
mesa horizontal lisa se unen entre sí con una varilla de alambre
horizontal, de masa despreciable. Una fuerza horizontal de
magnitud
2Mg se aplica sobre M hacia la izquierda. a) Hacer los diagrama de
cuerpo libre. b) Calcular la aceleración del sistema. c) Calcular la
tensión del
alambre. R: b) 5 m/s2, c) 15M (N).
15. Dos bloques de 1 y 2 kg, ubicados sobre planos lisos inclinados en 30s,
se conectan por una cuerda ligera que pasa por una polea sin roce, como
se muestra en la figura 15. Calcular: a) la aceleración de cada bloque
b) la tensión en la cuerda.
16. Respecto al problema anterior, si la aceleración cuando los planos son
rugosos fuera ½ de la calculada en ese problema,
calcular: a) el coeficiente de roce, b) la tensión en la cuerda.
Un trineo de 50 kg de masa se empuja a lo
largo de una superficie plana
cubierta de nieve. El coeficiente de rozamiento estático es
0.3, y el coeficiente de rozamiento cinético es 0.1. a) sCuál es el peso
del
trineo? b)
sQué fuerza se requiere para que el trineo comience a moverse? c) sQué
fuerza se requiere para que el trineo se mueva con velocidad constante?
d) Una vez en movimiento, squé fuerza total debeaplicársele al trineo
para acelerarlo a 3 m/s2?
18. Pepe anda esquiando, cuando en algún momento sube 5 m deslizándose
por la pendiente de un cerrito nevado en sus esquíes, saliendo desde la
cima ubicada a 3 m de altura respecto a la horizontal, con una rapidez de
10 m/s. El coeficiente de roce entre la nieve y los esquíes es 0.1. a) Calcular
la rapidez con la cual el esquiador comienza a subir la pendiente.
b) Determine la distancia horizontal que vuela Pepe cuando sale de la
punta del
cerro. R: a) 13 m/s, b) 12.8 m
19. Dos bloques de masas 1 y 2 kg (figura 16) cuelgan de los extremos de
una cuerda ligera y flexible que pasa por una polea sin roce, sujeta al techo;
el sistema se llama máquina de Atwood. Si en el instante inicial los
cuerpos se encuentran en reposo y a 1 y 2 m respectivamente del suelo
a) dibujar el diagrama de cuerpo libre para cada bloque. b) Escribir las
ecuaciones de movimiento para cada cuerpo. c) Determinar la posición y
la velocidad de cada cuerpo un segundo después de
empezar a moverse.
d) Calcular el valor de la tensión de la cuerda cuando el sistema está en
movimiento. R: c) 8/3 m; 1/3 m; 10/3 m/s, d) 13.3 N
20. El bloque de masa m de la figura 17 parte del reposo, deslizándose
desde la parte superior del plano inclinado 30s con la horizontal. El coeficiente de roce cinético es 0.3. a) Calcular la
aceleracióndel bloque
mientras se mueve sobre el plano. b) Calcular la longitud del
plano si el
bloque sale con una rapidez de 5 m/s. c) Si el bloque cae al suelo a una
distancia horizontal de 3 m desde el borde del plano, determine el tiempo total
del movimiento. R: a) 2.4 m/s2, b) 5.2 m, c) 2.8 s
21. En el sistema de la figura 18, se aplica una fuerza F
sobre m. El coeficiente de roce es µ entre cada cuerpo y los planos.
Deducir la expresión
de la magnitud de F para que el sistema se mueva: a) con rapidez constante, b)
con aceleración constante.
R: b) Mg(µcosα+senα)+µmg+a(m+M).
En el sistema de la figura 19, la fuerza F paralela al plano inclinado
empuja al bloque de masa m haciéndolo subir sobre el plano, de coeficiente de roce µ. Calcular en
función de m, F, g, µ y α, la aceleración
del
bloque. R: F/m -g(µcosα + senα).
23. Una fuerza F se aplica a un pequeño bloque de masa
m para hacerlo
moverse a lo largo de la parte superior de un bloque de masa M y largo
L. El coeficiente de roce es µ entre los bloques. El bloque M
desliza sin
roce en la superficie horizontal. Los bloques parten del reposo con el
pequeño en un extremo del grande, como se ve en la figura 20.
a) Calcular la aceleración de cada bloque relativa a la superficie horizontal. b)
Calcular el tiempo que el bloque m demora en llegar alotro extremo de
M, en función de L y las aceleraciones. R: a) (F-µmg)/m, µmg m+M),
b) [2L/(a1-a2)]1/2.
2 En el sistema de la figura 21, el brazo del péndulo es de longitud l y la
cuerda de largo L. a) Calcular la rapidez tangencial para que el sistema
gire en torno al eje de rotación que pasa por la barra vertical, de modo
que la cuerda que sostiene a la masa m forme un ángulo de 30s con la
vertical. b) Calcular la tensión de la cuerda. c) Si el sistema da una vuelta
en 30 s, determinar el ángulo que forma la cuerda con la vertical. R
a) [(l+Lsenα) gtanα]1/2, b) mg/cosα.
Figura 16
Figura 17
Figura 18
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Figura 19
Figura 20
Figura 21
25. Para que un satélite tenga una órbita
circular con rapidez constante, su
aceleración centrípeta debe ser inversamente proporcional al cuadrado
del radio r
de la órbita. a) Demuestre que la rapidez tangencial del satélite es
proporcional a r -1/2. b) Demuestre que el tiempo necesario para
completar una órbita es proporcional a r3/2.
26. Un bloque de masa M se ubica sobre un pequeño plano inclinado un
ángulo α sin roce, que tiene su extremo inferior fijo a un eje vertical
que
puede girar. En algún momento el eje gira con el plano con rapidez
constante. Demostrar que si la masa asciende desde la base del
plano, su
rapidez cuando hasubido una distancia L es v = gLsenα .
27. La masa m1 sobre una mesa horizontal sin fricción se conecta a la masa
m2 por medio de una polea móvil y una polea fija sin masas (figura
22). a) Si a1 y a2 son magnitudes de las aceleraciones de m1 y m2,
respectivamente, determinar una relación entre estas aceleraciones. Determinar
expresiones para: b) las tensiones en las cuerdas, y c) las aceleraciones a1 y
a2 en función de m1, m2 y g
28. Calcular la fuerza F que debe aplicarse sobre un bloque A de 20 kg para
evitar que el bloque B de 2 kg caiga (figura 23). El
coeficiente de fricción estático entre los bloques A y B es 0.5, y la
superficie horizontal no
presenta fricción. R: 480N.
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Figura 22
Figura 23
29. Demuestre que la rapidez máxima que un móvil puede tener en una
carretera sin peralte es vmax = µRg , donde µ es el
coeficiente de roce y R
el radio de la curva.
30. Calcular el ángulo de peralte de una carretera en una curva de radio
150m, para que un camión de 15 toneladas pueda girar
con una rapidez
de 70km/hr, sobre un pavimento cubierto de escarcha. R: 14s.
31. La figura 24 muestra la cabeza de un paciente en
tracción de cuello
sobre una plataforma móvil sin roce. Se tienen las siguientes fuerzas: Fa
fuerza ejercida por la venda
sobre la cabeza, Fc fuerza ejercida por elcuello sobre la cabeza, N fuerza
ejercida por la mesa
sobre la cabeza, P
peso de la cabeza. a) Dibujar el diagrama de fuerzas correspondiente a la
cabeza. b) Indicar la reacción a cada una de las fuerzas anteriores. c)
sSobre quién actúa la fuerza gravitacional? d) sEn la base
a qué leyes se
obtiene el valor de la tensión en las vértebras del cuello? e) sCuál es el
valor de la tensión en el cuello?
Figura 24
Figura 25
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32. El tendón del bíceps de la figura 25 ejerce
una fuerza F de 70 N sobre
el antebrazo. El brazo aparece doblado, de tal manera
que esta fuerza
forma un ángulo de 40s con el antebrazo. Hallar las componentes de F
a) Paralela al antebrazo (fuerza estabilizadora), b) Perpendicular al antebrazo
(fuerza de sostén).
33. Calcular la fuerza total aplicada a la cabeza del paciente por el
dispositivo de tracción de la figura 26.
3 La figura 27 representa la cabeza de un niño
inclinada sobre un libro.
La cabeza pesa 30N y está sostenida por la fuerza muscular ejercida por
los extensores del
cuello y por la fuerza del
contacto Fm ejercida en la
articulación atlantooccipital. Dado que el módulo de Fm es 45 N y que
está dirigido 35s por debajo de la horizontal, calcular: a) la magnitud y
b) la dirección de Fc.
Fm
Fg
Figura 26
Fc
Figura 27
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