Física 10.º

Fuerza y equilibrio

45 min · DBA 1

Lo que vas a aprender
  • Reconocer una fuerza como una interacción entre dos cuerpos, de contacto o a distancia.
  • Calcular la fuerza neta sobre un cuerpo sumando fuerzas en una dimensión y por componentes.
  • Predecir si un cuerpo está en equilibrio (en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme) a partir de la fuerza neta.
  • Hallar la fuerza que falta para que un cuerpo quede en equilibrio.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Un letrero colgado sobre la puerta de una tienda, un puente peatonal, una lámpara que cuelga de dos cables o un bus que avanza por una autopista recta sin acelerar: en todos esos casos las fuerzas que actúan sobre el cuerpo están compensadas. Quien diseña el soporte del letrero necesita saber cuánto tiene que aguantar cada cable, y para eso basta con exigir que las fuerzas se anulen.

En esta lección vas a aprender a sumar fuerzas y a decidir, a partir de esa suma, si un cuerpo está en equilibrio. Antes de empezar repasa cómo se sacan las componentes de un vector con seno y coseno y cómo se suman vectores por componentes.

Explicación

Una fuerza es una interacción

Una fuerza siempre es la acción de un cuerpo sobre otro. Cuando empujas una puerta, tu mano ejerce una fuerza sobre la puerta; cuando una cuerda sostiene una lámpara, la cuerda ejerce una fuerza sobre la lámpara. Si no hay otro cuerpo que la produzca, no hay fuerza.

Las fuerzas se agrupan en dos clases:

  • De contacto: necesitan que los cuerpos se toquen. El empujón de una mano, la tensión de una cuerda, la normal (la fuerza perpendicular con que una superficie sostiene lo que está apoyado en ella) y la fricción.
  • A distancia: actúan sin contacto. El peso (la atracción de la Tierra) y la fuerza entre dos imanes.

Una fuerza es un vector: tiene magnitud y dirección. Su unidad en el SI es el newton (N). Por eso no basta con decir «30 N»: hay que decir hacia dónde.

La fuerza neta

Sobre un cuerpo casi siempre actúan varias fuerzas a la vez. Su suma vectorial se llama fuerza neta, $\vec F_{\text{neta}}$. Es la fuerza única que tendría el mismo efecto que todas juntas.

  • En una dimensión se elige un sentido positivo y se suman las fuerzas con su signo. Si hacia la derecha es positivo, una fuerza hacia la izquierda entra con signo menos.
  • En el plano se suman las componentes por separado. Una fuerza de magnitud $F$ que forma un ángulo $\theta$ con el eje $x$ tiene componentes $F_x = F\cos\theta$ y $F_y = F\operatorname{sen}\theta$. Después se suman todas las $F_x$ y todas las $F_y$.

La primera ley de Newton

La primera ley dice qué pasa cuando la fuerza neta es cero: un cuerpo con fuerza neta cero conserva su velocidad. Si estaba quieto, sigue quieto. Si se movía, sigue moviéndose en línea recta con la misma rapidez. A esa tendencia a conservar la velocidad se le llama inercia.

Aquí está la idea más importante de la lección, y la que más se confunde: fuerza neta cero no quiere decir que el cuerpo esté quieto. Un bus que avanza en línea recta con el velocímetro fijo tiene fuerza neta cero: el empuje que el piso le da a las llantas se compensa con la resistencia del aire y de la vía. No hace falta una fuerza neta para mantener una velocidad; hace falta para cambiarla. Si el bus acelera, frena o toma una curva, la fuerza neta ya no es cero.

El equilibrio

Un cuerpo está en equilibrio cuando la fuerza neta sobre él es cero. Hay dos casos: el reposo y el movimiento rectilíneo uniforme. En el plano, el equilibrio exige dos condiciones a la vez:

$$\sum F_x = 0 \qquad \text{y} \qquad \sum F_y = 0$$

Con esas dos ecuaciones se averigua la fuerza que falta: la tensión de un cable, la fricción que frena una caja o la normal del piso. El método es siempre el mismo: dibujar todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, descomponerlas en $x$ y en $y$, y exigir que cada suma sea cero. El dibujo con el cuerpo y sus fuerzas se llama diagrama de cuerpo libre; lo estudiarás a fondo en la última lección de la unidad.

Ejemplo resuelto

Tres fuerzas en una línea

Ana empuja una caja hacia la derecha con 120 N. Beto hala la misma caja hacia la izquierda con 85 N, y el piso la frena con una fricción de 35 N hacia la izquierda. ¿Está la caja en equilibrio? ¿Puede estar moviéndose?

Ver la solución paso a paso
  1. Tomamos la derecha como sentido positivo. Las dos fuerzas hacia la izquierda entran con signo menos:

    $$120 - 85 - 35$$

  2. La suma da:

    $$0$$

  3. La fuerza neta es cero, así que la caja está en equilibrio. Eso no dice que esté quieta: si ya se movía hacia la derecha, sigue moviéndose con la misma rapidez y en línea recta. Si estaba quieta, sigue quieta.

Respuesta: La fuerza neta es 0 N: la caja está en equilibrio. Puede estar quieta o moviéndose con velocidad constante.

−60−40−20204060−70−60−50−40−30−20−101020304050xyletreroT₁ = 60 NT₂ = 60 NP = 60 N

Diagrama de cuerpo libre del letrero: dos tensiones de 60 N, cada una a 30° de la horizontal, y el peso de 60 N.

Ejemplo resuelto

El letrero colgado de dos cuerdas

Un letrero de 60 N de peso cuelga en reposo de dos cuerdas iguales. Cada cuerda forma 30° con la horizontal, una hacia cada lado. ¿Cuál es la tensión T de cada cuerda?

Ver la solución paso a paso
  1. El letrero está en reposo, así que la fuerza neta es cero. Por la simetría, las dos tensiones valen lo mismo, $T$. En $x$, la componente de una cuerda hacia la izquierda cancela la de la otra hacia la derecha. En $y$, las dos componentes verticales sostienen el peso:

    $$2T \cdot \operatorname{sen} 30^{\circ} - 60 = 0$$

  2. Como el seno de 30° es un medio, el lado izquierdo se simplifica:

    $$T - 60 = 0$$

  3. Despejamos:

    $$T = 60$$

  4. Comprobamos el equilibrio con las componentes de la figura. En $x$:

    $$-60\operatorname{cos} 30^{\circ} + 60\operatorname{cos} 30^{\circ} = 0$$

  5. Y en $y$:

    $$60\operatorname{sen} 30^{\circ} + 60\operatorname{sen} 30^{\circ} - 60 = 0$$

  6. Cada cuerda aguanta tanto como el letrero entero, aunque son dos. La razón es que las cuerdas están cerca de la horizontal (poco empinadas): solo la parte vertical de cada tensión ayuda a sostener el peso.

Respuesta: Cada cuerda tiene una tensión de 60 N, tanta como el peso del letrero.

La mesa de fuerzas, vista desde arribaT₁ = 1,96 NT₂ = 1,96 NT₃ = 1,96 NΣF = 0: el anillo se queda en el centro · T₁ = 1,96 N · T₂ = 1,96 N · T₃ = 1,96 N

Una mesa de fuerzas: tres cuerdas tiran del anillo, cada una con una pesa de 0,2 kg, es decir, con 1,96 N, separadas 120°. Están en equilibrio y el anillo se queda en el centro. Sube la masa de la tercera cuerda a 0,3 kg, o muévela hasta 180°, y mira cómo aparece una fuerza neta.

−50−40−30−20−101020304050−80−60−40−20204060xymaletaT = 50 Nf = 25 NN ≈ 35,1 NP = 78,4 N

Diagrama de cuerpo libre de la maleta: la tensión de la manija (50 N a 60°), la resistencia de 25 N, la normal de unos 35,1 N y el peso de 78,4 N.

Ejemplo resuelto

Una maleta que avanza con velocidad constante

Matías hala su maleta de 8 kg con una fuerza de 50 N por la manija, que forma 60° con el piso. La maleta avanza en línea recta con rapidez constante. Usa g = 9,8 m/s². ¿Cuánto vale la resistencia f del piso (horizontal) y cuánto la normal N?

Ver la solución paso a paso
  1. La maleta se mueve, pero en línea recta y con rapidez constante: por la primera ley, la fuerza neta es cero. En $x$, la componente horizontal de la tensión se compensa con la resistencia:

    $$50\operatorname{cos} 60^{\circ} - f = 0$$

  2. Despejamos:

    $$f = 25$$

  3. En $y$ actúan la normal hacia arriba, la componente vertical de la tensión hacia arriba y el peso, $8 \cdot 9{,}8$ N, hacia abajo:

    $$N + 50\operatorname{sen} 60^{\circ} - 8 \cdot 9{,}8 = 0$$

  4. Despejamos la normal:

    $$N = 78{,}4 - 25\sqrt{3}$$

  5. Que es, aproximadamente, 35,1 N:

    $$35{,}09 < 78{,}4 - 25\sqrt{3} < 35{,}1$$

  6. Comprobamos con las componentes de la figura que la suma da cero en $x$ y en $y$:

    $$50\operatorname{cos} 60^{\circ} - 25 = 0$$

  7. Y en $y$:

    $$\left(78{,}4 - 25\sqrt{3}\right) + 50\operatorname{sen} 60^{\circ} - 8 \cdot 9{,}8 = 0$$

  8. Fíjate en dos cosas. La maleta se mueve y aun así su fuerza neta es cero. Y la normal no es igual al peso: la manija sostiene una parte de la maleta, y el piso solo tiene que sostener el resto.

Respuesta: f = 25 N y N = 78,4 − 25√3 ≈ 35,1 N.

Práctica

Sobre una caja actúan dos fuerzas: 40 N hacia la derecha y 25 N hacia la izquierda. Tomando la derecha como positiva, ¿cuál es la fuerza neta, en N?

Cada opción es la suma de las fuerzas, en newtons, sobre un cuerpo distinto. Marca todos los cuerpos que están en equilibrio.

Marca todas las que apliquen.

Un disco de hockey de 0,2 kg se desliza sobre el hielo a 3 m/s, y la fuerza neta sobre él es cero (el hielo prácticamente no lo frena). ¿Qué rapidez tiene 4 s después, en m/s?

Una cuerda hala un trineo con 50 N y forma 30° con la horizontal. ¿Cuál es la componente horizontal de esa fuerza, en N? Redondea a una cifra decimal.

Una cuerda hala con 20 N y forma 60° con la horizontal. ¿Verdadero o falso? Su componente vertical, en N, cumple $20\operatorname{sen} 60^{\circ} = 10$

Sobre una argolla actúan dos fuerzas, con sus componentes en newtons: $\left(12;\ 5\right)$ y $\left(-4;\ 9\right)$. ¿Qué tercera fuerza la deja en equilibrio?

Una matera de 80 N cuelga en reposo de dos cuerdas: la cuerda A forma 30° con la horizontal y la cuerda B forma 60°, hacia el otro lado. ¿Cuáles son las tensiones (A; B), en N?

Una lancha avanza en línea recta con rapidez constante. El motor la empuja hacia adelante con 1800 N. ¿Cuántos newtons vale la resistencia total del agua y del aire?

Tres cuerdas halan una argolla que queda en reposo. Una hala con 70 N hacia el este, otra con 45 N hacia el oeste y la tercera también hacia el oeste. ¿Cuántos newtons hace la tercera?

Un carro avanza por una vía recta con el velocímetro quieto en 80 km/h. ¿Qué se puede decir de la fuerza neta sobre el carro?

Reto

¿Qué cuerpo no está en equilibrio?

Cada expresión es la suma de las fuerzas, en newtons, sobre un cuerpo distinto. Toca el cuerpo cuya fuerza neta no es cero.

Reto

Une cada componente de una fuerza con su valor en newtons.

El ángulo se mide desde la horizontal: el coseno da la componente horizontal y el seno, la vertical.

Cierre

En resumen

  • Una fuerza es una interacción entre dos cuerpos, de contacto o a distancia; es un vector y se mide en newtons.

  • La fuerza neta es la suma vectorial de todas las fuerzas sobre un mismo cuerpo; en el plano se suma por componentes.

  • Primera ley de Newton - si la fuerza neta es cero, el cuerpo conserva su velocidad - sigue quieto o sigue en línea recta con la misma rapidez.

  • Fuerza neta cero no significa que el cuerpo esté quieto; significa que su velocidad no cambia.

  • En equilibrio la suma de las componentes en x es cero y la suma en y también, y de ahí se despeja la fuerza que falta.

Vocabulario

Fuerza

Interacción entre dos cuerpos que puede cambiar la velocidad de uno de ellos o deformarlo. Es un vector y se mide en newtons (N).

Fuerza neta

La suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un mismo cuerpo.

Equilibrio

Estado de un cuerpo cuya fuerza neta es cero: está en reposo o se mueve en línea recta con rapidez constante.

Inercia

Tendencia de un cuerpo a conservar su velocidad, sea cero o no, mientras la fuerza neta sobre él sea cero.

Tensión

Fuerza que hace una cuerda o un cable tenso sobre el cuerpo al que está atado; apunta a lo largo de la cuerda.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Una lámpara de 40 N cuelga en reposo de dos cables, cada uno a 45° de la horizontal. Dibujar las fuerzas, hallar la tensión de cada cable y explicar por escrito qué pasaría con la tensión si los cables estuvieran más horizontales.