Fuerzas equilibradas y no equilibradas y la primera ley de Newton
Olivia va en el autobús escolar a rapidez constante. De pronto el conductor frena y su cuerpo se lanza hacia adelante. Nadie la empujó hacia adelante. ¿Por qué se movió? Al final de esta página lo vas a poder explicar.
Fuerzas y fuerza neta
Una fuerza es un empujón o un jalón sobre un objeto. Se mide en newtons (N). Tiene un valor y una dirección, así que la dibujamos como una flecha.
Casi nunca actúa una sola fuerza. Sobre un libro en una mesa actúan el peso (hacia abajo) y la fuerza normal de la mesa (hacia arriba). Lo que importa es el efecto de todas juntas: la fuerza neta.
Cómo se calcula en una línea recta:
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Fuerzas en la misma dirección: se suman.
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Fuerzas en direcciones opuestas: se restan, y la neta apunta hacia la fuerza mayor.
Clasifica cada situación según actúen fuerzas equilibradas o fuerzas no equilibradas sobre el objeto: (a) Un libro descansa sobre una mesa. (b) Un balón de fútbol es…
Clasifica cada situación según actúen fuerzas equilibradas o fuerzas no equilibradas sobre el objeto:
(a) Un libro descansa sobre una mesa.
(b) Un balón de fútbol es pateado y aumenta su rapidez.
(c) Un carro avanza a 25 m/s constantes por una carretera recta y plana.
(d) Un paracaidista aumenta su rapidez al comenzar la caída.
Dos estudiantes empujan una caja sobre el piso desde lados opuestos. Ethan empuja hacia el este con 40 N y Chloe empuja hacia el oeste con 25 N. La fricción es tan…
Dos estudiantes empujan una caja sobre el piso desde lados opuestos. Ethan empuja hacia el este con 40 N y Chloe empuja hacia el oeste con 25 N. La fricción es tan pequeña que puede ignorarse.
(a) Halla la fuerza neta, con su dirección.
(b) ¿Las fuerzas están equilibradas o no equilibradas?
(c) Predice cómo cambiará el movimiento de la caja.
(d) Si la caja parte del reposo, ¿con qué fuerza tendría que empujar Chloe para que el movimiento de la caja no cambie?
Fuerzas equilibradas y no equilibradas
Si la fuerza neta es cero, las fuerzas están equilibradas: se cancelan entre sí. Si la fuerza neta no es cero, están no equilibradas.
| Fuerzas equilibradas | Fuerzas no equilibradas | |
|---|---|---|
| Fuerza neta | 0 N | Mayor que 0 N |
| Efecto | El movimiento no cambia | La rapidez o la dirección cambian (el objeto acelera) |
| Ejemplo | Un libro en reposo; un carro a 25 m/s constantes en carretera plana | Un balón pateado; un paracaidista que empieza a caer |
Fíjate: un objeto con fuerzas equilibradas puede estar en reposo o moviéndose a rapidez constante en línea recta. En ambos casos su movimiento no cambia.
Clasifica cada situación según actúen fuerzas equilibradas o fuerzas no equilibradas sobre el objeto: (a) Un libro descansa sobre una mesa. (b) Un balón de fútbol es…
Clasifica cada situación según actúen fuerzas equilibradas o fuerzas no equilibradas sobre el objeto:
(a) Un libro descansa sobre una mesa.
(b) Un balón de fútbol es pateado y aumenta su rapidez.
(c) Un carro avanza a 25 m/s constantes por una carretera recta y plana.
(d) Un paracaidista aumenta su rapidez al comenzar la caída.
Un carrito se mueve con velocidad constante por una pista horizontal. Liam dibuja un diagrama de cuerpo libre con estas fuerzas: peso de 20 N hacia abajo, fuerza normal…
Un carrito se mueve con velocidad constante por una pista horizontal. Liam dibuja un diagrama de cuerpo libre con estas fuerzas: peso de 20 N hacia abajo, fuerza normal de 20 N hacia arriba, fuerza aplicada de 6 N hacia adelante y fricción de 6 N hacia atrás.
(a) Calcula la fuerza neta en la dirección vertical y en la horizontal.
(b) ¿Cambia el estado de movimiento del carrito? Justifica con la primera ley de Newton.
(c) Liam afirma: «El carrito se mueve con velocidad constante porque la fuerza de 6 N hacia adelante lo mantiene en marcha, así que sin fuerza no hay movimiento». Identifica el error en su razonamiento y corrígelo.
(d) Describe qué le pasa al movimiento del carrito si la fuerza aplicada aumenta de repente a 10 N, y da la fuerza neta.
La primera ley de Newton y la inercia
Si empujas un libro sobre una mesa y lo sueltas, se detiene. Antiguamente se pensaba que todo movimiento necesita una fuerza que lo mantenga. Pero el libro se detiene por la fricción, una fuerza que lo frena. En el espacio, donde casi no hay fricción, un objeto en movimiento sigue y sigue.
El porqué: un cambio de movimiento necesita una causa, y esa causa es una fuerza neta. Sin ella, nada cambia.
La inercia no es una fuerza. Es una propiedad de los objetos, y la primera ley es la que la describe. Por eso a la primera ley se le llama también ley de la inercia.
Enuncia con tus propias palabras la primera ley del movimiento de Newton. Luego define la inercia y explica cómo se relaciona con la primera ley.
Enuncia con tus propias palabras la primera ley del movimiento de Newton. Luego define la inercia y explica cómo se relaciona con la primera ley.
Un disco de hockey se desliza sobre hielo liso. ¿Cuál de estas opciones explica mejor por qué se detiene al final: (1) se le acaba la fuerza, (2) actúa la fricción sobre…
Un disco de hockey se desliza sobre hielo liso. ¿Cuál de estas opciones explica mejor por qué se detiene al final: (1) se le acaba la fuerza, (2) actúa la fricción sobre él, o (3) quiere estar en reposo? Explica tu elección usando la primera ley de Newton.
Una nave espacial, lejos de cualquier planeta o estrella, enciende su motor, alcanza una rapidez de 2,000 m/s y luego apaga el motor. Supón que después no actúan fuerzas…
Una nave espacial, lejos de cualquier planeta o estrella, enciende su motor, alcanza una rapidez de 2,000 m/s y luego apaga el motor. Supón que después no actúan fuerzas significativas sobre ella.
(a) Describe el movimiento de la nave después de apagar el motor.
(b) Explica tu respuesta usando la primera ley de Newton.
(c) En cambio, ¿por qué un carro en la Tierra va frenando cuando el conductor suelta el acelerador?
La inercia en la vida diaria
Volvamos a Olivia. El autobús y Olivia se mueven hacia adelante a la misma rapidez. Al frenar, una fuerza de frenado (fricción entre las llantas y el pavimento) actúa sobre el autobús. Pero al principio ninguna fuerza horizontal actúa directamente sobre el cuerpo de Olivia. Por inercia, su cuerpo sigue moviéndose hacia adelante a la misma rapidez, mientras el autobús se frena. Parece que "la lanzan hacia adelante", pero en realidad ella solo sigue su movimiento.
Por eso existen los cinturones de seguridad: aplican una fuerza que frena tu cuerpo junto con el vehículo.
Otros ejemplos:
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Una moneda sobre una tarjeta encima de un vaso: si golpeas la tarjeta con rapidez, la tarjeta sale volando pero la moneda, por inercia, tiende a quedarse donde estaba. Al desaparecer la tarjeta, la gravedad la hace caer dentro del vaso. Si jalas la tarjeta lentamente, la fricción tiene tiempo de arrastrar la moneda con ella.
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Un mantel que se jala de golpe deja los platos en su lugar.
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Te inclinas hacia un lado cuando el carro toma una curva cerrada.
Olivia viaja en un autobús escolar que avanza hacia adelante a rapidez constante. El conductor frena de repente y el cuerpo de Olivia se lanza hacia adelante. Usa la…
Olivia viaja en un autobús escolar que avanza hacia adelante a rapidez constante. El conductor frena de repente y el cuerpo de Olivia se lanza hacia adelante. Usa la primera ley de Newton y la idea de inercia para explicar por qué ocurre esto. Indica qué fuerza actúa sobre el autobús y si, al principio, alguna fuerza horizontal actúa directamente sobre el cuerpo de Olivia.
Una moneda descansa sobre una tarjeta colocada encima de un vaso. Camila golpea la tarjeta horizontalmente con un movimiento rápido, y la moneda cae directo dentro del…
Una moneda descansa sobre una tarjeta colocada encima de un vaso. Camila golpea la tarjeta horizontalmente con un movimiento rápido, y la moneda cae directo dentro del vaso.
(a) Identifica sobre qué objeto actúan fuerzas horizontales y sobre cuál no, justo después del golpe.
(b) Usa la inercia y la primera ley de Newton para explicar por qué la moneda cae en el vaso en lugar de moverse con la tarjeta.
(c) Explica qué fuerza hace caer la moneda una vez que la tarjeta ya no está.
(d) Predice qué cambiaría si Camila jalara la tarjeta lentamente y explica por qué.
Diagramas de fuerzas y errores comunes
Un diagrama de cuerpo libre muestra un objeto como un punto o una caja y todas las fuerzas sobre él como flechas. Cada flecha apunta en la dirección de la fuerza, y su longitud indica qué tan grande es.
En este carrito: vertical, $20 - 20 = 0\ \text{N}$; horizontal, $6 - 6 = 0\ \text{N}$. La fuerza neta es cero en ambas direcciones, así que su movimiento no cambia: sigue a velocidad constante.
Un carrito se mueve con velocidad constante por una pista horizontal. Liam dibuja un diagrama de cuerpo libre con estas fuerzas: peso de 20 N hacia abajo, fuerza normal…
Un carrito se mueve con velocidad constante por una pista horizontal. Liam dibuja un diagrama de cuerpo libre con estas fuerzas: peso de 20 N hacia abajo, fuerza normal de 20 N hacia arriba, fuerza aplicada de 6 N hacia adelante y fricción de 6 N hacia atrás.
(a) Calcula la fuerza neta en la dirección vertical y en la horizontal.
(b) ¿Cambia el estado de movimiento del carrito? Justifica con la primera ley de Newton.
(c) Liam afirma: «El carrito se mueve con velocidad constante porque la fuerza de 6 N hacia adelante lo mantiene en marcha, así que sin fuerza no hay movimiento». Identifica el error en su razonamiento y corrígelo.
(d) Describe qué le pasa al movimiento del carrito si la fuerza aplicada aumenta de repente a 10 N, y da la fuerza neta.
Una nave espacial, lejos de cualquier planeta o estrella, enciende su motor, alcanza una rapidez de 2,000 m/s y luego apaga el motor. Supón que después no actúan fuerzas…
Una nave espacial, lejos de cualquier planeta o estrella, enciende su motor, alcanza una rapidez de 2,000 m/s y luego apaga el motor. Supón que después no actúan fuerzas significativas sobre ella.
(a) Describe el movimiento de la nave después de apagar el motor.
(b) Explica tu respuesta usando la primera ley de Newton.
(c) En cambio, ¿por qué un carro en la Tierra va frenando cuando el conductor suelta el acelerador?
Vuelve al principio: el cuerpo de Olivia sigue hacia adelante por inercia, porque al frenar el autobús ninguna fuerza horizontal actúa directamente sobre ella.
Resumen
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Una fuerza es un empujón o un jalón; la fuerza neta es la suma de todas, con sus direcciones.
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Equilibradas (neta = 0): el movimiento no cambia. No equilibradas: el objeto acelera.
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Primera ley de Newton: sin fuerza neta, un objeto en reposo sigue en reposo y uno en movimiento sigue a rapidez constante en línea recta.
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Inercia: la tendencia a resistir cambios de movimiento; crece con la masa.
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Los objetos se detienen por fuerzas como la fricción, no porque "se les acabe la fuerza".