Ejercicios: Fuerzas cotidianas: peso, normal, rozamiento, tensión y empuje

Calcula el peso de una mochila de $5\ \text{kg}$ (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$) e indica hacia dónde apunta esa fuerza.

Una báscula de baño marca $60\ \text{kg}$.

1. a) ¿Qué mide realmente la báscula: la masa o el peso?
2. b) ¿Cuál es el peso de esa persona en newtons (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$)?
3. c) ¿Qué marcaría la báscula en la Luna, donde la gravedad es menor? Razona la respuesta.

Un libro de $2\ \text{kg}$ está quieto sobre una mesa (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las fuerzas que actúan sobre el libro.
2. b) Calcula el peso del libro y la fuerza normal que ejerce la mesa.

Una taza está apoyada sobre la encimera de la cocina. ¿Qué cuerpo ejerce la fuerza normal sobre la taza? ¿En qué dirección apunta? ¿Por qué crees que se llama fuerza «normal»?

Un jugador de rugby se arrastra por el césped tras un placaje. Dibuja en tu cuaderno al jugador deslizándose hacia la derecha y representa la fuerza de rozamiento sobre él: ¿hacia dónde apunta y por qué?

Una lámpara de $3\ \text{kg}$ cuelga del techo sujeta por un cable (toma $g = 9,8\ \text{m/s}^2$).

1. a) ¿Qué fuerzas actúan sobre la lámpara y quién las ejerce?
2. b) Calcula la tensión del cable.

Cuando sumerges una pelota de playa en la piscina y la sueltas, sale disparada hacia arriba. ¿Qué fuerza, además del peso, actúa sobre la pelota mientras está sumergida? ¿Qué cuerpo la ejerce y hacia dónde apunta?

Una maceta está apoyada en el alféizar de una ventana, en reposo. Enumera las fuerzas que actúan sobre ella indicando qué cuerpo ejerce cada una, y dibuja el diagrama de fuerzas en tu cuaderno.

Un operario arrastra una caja de $10\ \text{kg}$ por el suelo horizontal con una fuerza de $60\ \text{N}$, y el rozamiento vale $30\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$). La figura muestra las fuerzas que actúan sobre la caja.

1. a) Calcula el peso de la caja y la normal del suelo.
2. b) Calcula la fuerza neta horizontal y la aceleración de la caja.

Un cajón de $20\ \text{kg}$ se arrastra por un suelo para el que la fuerza de rozamiento viene dada por $F_r = \mu \cdot N$, con $\mu = 0,3$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula la fuerza normal sobre el cajón.
2. b) Calcula la fuerza de rozamiento.
3. c) ¿Qué fuerza horizontal mínima hay que aplicar para que el cajón avance con velocidad constante? Justifícalo.

Dos equipos tiran de una cuerda en sentidos opuestos, cada uno con una fuerza de $350\ \text{N}$, y la cuerda no se mueve, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto vale la tensión en cualquier punto de la cuerda? (Cuidado: no es la suma de las dos fuerzas; razona por qué.)
2. b) Si uno de los equipos suelta la cuerda, ¿qué ocurre con la tensión y con el movimiento de la cuerda? Explícalo.

Un montacargas sube una carga de $60\ \text{kg}$ con una aceleración de $2\ \text{m/s}^2$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las fuerzas que actúan sobre la carga.
2. b) Calcula su peso.
3. c) Aplica el principio fundamental para calcular la tensión del cable.

Una persona de $60\ \text{kg}$ está de pie sobre una báscula dentro de un ascensor (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto marca la báscula con el ascensor en reposo?
2. b) Cuando el ascensor acelera hacia arriba a $2\ \text{m/s}^2$, la normal vale $N = m \cdot (g + a)$: calcula lo que marca la báscula en ese caso.
3. c) ¿Ha cambiado el peso real de la persona? Explica qué es lo que ha cambiado.

Un astronauta tiene una masa de $80\ \text{kg}$.

1. a) Calcula su peso en la Tierra ($g = 9,8\ \text{m/s}^2$).
2. b) Calcula su peso en la Luna, donde $g = 1,6\ \text{m/s}^2$.
3. c) ¿Ha cambiado su masa al ir a la Luna? ¿Y su peso? Explica la diferencia entre ambos conceptos.

Sobre un libro apoyado en la mesa actúan el peso y la normal, que tienen el mismo valor y sentidos opuestos. Un alumno afirma: «como son iguales y opuestas, son un par de acción y reacción». Explica por qué se equivoca, indicando sobre qué cuerpo actúa cada una de esas fuerzas y cuál es la verdadera fuerza «pareja» de cada una según el principio de acción y reacción.

Una piedra pesa $10\ \text{N}$ en el aire y, colgada de un dinamómetro y sumergida en agua, el aparato marca $6\ \text{N}$, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto vale el empuje del agua sobre la piedra?
2. b) ¿Hacia dónde apunta esa fuerza?
3. c) Si la piedra se soltara dentro del agua, ¿se hundiría o flotaría? Razona la respuesta comparando el peso con el empuje.

Una caja de $5\ \text{kg}$ está sobre el suelo horizontal y se la empuja con una fuerza horizontal de $40\ \text{N}$; el rozamiento vale $20\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las cuatro fuerzas que actúan sobre la caja, nombrando cada una y el cuerpo que la ejerce.
2. b) Calcula el valor de las cuatro fuerzas.
3. c) Calcula la fuerza neta sobre la caja y su aceleración.

Un camión circula por autopista a velocidad constante y su motor ejerce una fuerza de $2000\ \text{N}$.

1. a) ¿Cuánto vale la fuerza de rozamiento total (aire y ruedas) en esas condiciones? Justifícalo con el principio fundamental.
2. b) Si el motor aumenta su fuerza a $2600\ \text{N}$ y el rozamiento se mantiene, calcula la fuerza neta y explica qué le ocurre a la velocidad del camión.
3. c) El rozamiento con el aire crece con la velocidad: explica con ayuda de este dato por qué el camión no puede superar cierta velocidad máxima por mucho que se pise el acelerador.

Una persona de $60\ \text{kg}$ está de pie sobre una báscula dentro de un ascensor y la báscula marca $660\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula el peso real de la persona.
2. b) Calcula la fuerza neta que actúa sobre ella.
3. c) Deduce el valor y el sentido de la aceleración del ascensor.

Una locomotora tira de dos vagones iguales de $2000\ \text{kg}$ cada uno con una fuerza de $6000\ \text{N}$ (considera despreciable el rozamiento), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula la aceleración del conjunto.
2. b) Calcula la tensión del enganche entre la locomotora y el primer vagón.
3. c) Calcula la tensión del enganche entre los dos vagones y explica por qué es menor que la anterior.

Un estudiante empuja un mueble cada vez con más fuerza: con $10\ \text{N}$ no se mueve, con $20\ \text{N}$ no se mueve, con $30\ \text{N}$ no se mueve y con $35\ \text{N}$ empieza a deslizar.

1. a) ¿Cuánto valía la fuerza de rozamiento en cada uno de los tres primeros casos? Justifícalo con el principio fundamental.
2. b) ¿Cuál es el valor máximo de la fuerza de rozamiento estático entre el mueble y el suelo?
3. c) Una vez en movimiento, ¿esperas que el rozamiento siga valiendo lo mismo? Razona la respuesta con lo que sabes del rozamiento estático y del dinámico.

Un barco de acero de $50000\ \text{kg}$ flota en el puerto, mientras que un perno de acero de $50\ \text{g}$ se hunde hasta el fondo (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el peso de cada uno (cuidado con las unidades de masa).
2. b) Si el barco flota en equilibrio, ¿cuánto vale el empuje del agua sobre él?
3. c) Explica, hablando del volumen de agua que desplaza cada uno, cómo es posible que el barco genere un empuje tan grande y el perno no, siendo ambos de acero.

Un paracaidista de $70\ \text{kg}$ desciende con el paracaídas abierto a velocidad constante de $5\ \text{m/s}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) ¿Cuánto vale la fuerza de resistencia del aire sobre el paracaídas? Justifícalo con el principio fundamental.
2. b) Antes de abrirse el paracaídas, el paracaidista caía también a velocidad constante, de $50\ \text{m/s}$. ¿Era entonces la resistencia del aire mayor, menor o igual que con el paracaídas abierto? Razona la respuesta.
3. c) Explica qué ocurre con la fuerza neta en el instante en que se abre el paracaídas y por qué el paracaidista frena hasta alcanzar una nueva velocidad constante.

Un alumno afirma: «la normal siempre vale lo mismo que el peso». Para comprobarlo, se coloca una caja de $10\ \text{kg}$ sobre el suelo y se tira de ella hacia arriba con una cuerda que ejerce $30\ \text{N}$, sin llegar a levantarla (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Dibuja en tu cuaderno las tres fuerzas verticales que actúan sobre la caja.
2. b) Como la caja está en reposo, calcula el valor de la normal.
3. c) Explica por qué la afirmación del alumno es falsa en general e indica en qué caso concreto sí sería cierta.