Física 10.º

Peso y fuerza normal

45 min · DBA 1

Lo que vas a aprender
  • Calcular el peso de un cuerpo con P = mg y distinguirlo de su masa.
  • Calcular la fuerza normal sobre un cuerpo apoyado en una superficie horizontal cuando lo empujan o lo halan en diagonal.
  • Calcular lo que marca una balanza dentro de un ascensor que acelera, planteando la segunda ley en el eje vertical.
  • Identificar la reacción del peso y la de la normal, y explicar por qué el peso y la normal no forman un par de acción y reacción.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Súbete a una balanza dentro de un ascensor y mírala mientras arranca: el número sube un momento y luego vuelve a su valor. Cuando el ascensor frena al llegar arriba, el número baja. Tu masa no cambió en esos segundos, así que la balanza tiene que estar midiendo otra cosa.

En esta lección vas a separar tres ideas que en la vida diaria se mezclan: la masa de un cuerpo, su peso y la fuerza normal que le hace el piso. Con ellas podrás predecir cuánto marca una balanza, por qué una caja que halas en diagonal «pesa menos» sobre el piso, y cuál es en realidad la reacción de tu peso.

Antes de empezar necesitas la segunda ley ($F_{\text{neta}} = ma$), saber dibujar un diagrama de cuerpo libre y sacar las componentes de una fuerza inclinada con seno y coseno.

Explicación

Masa y peso

La masa $m$ mide cuánta inercia tiene un cuerpo: cuánto le cuesta cambiar su velocidad. Se mide en kilogramos y es la misma en Bogotá, en la cima de una montaña o en otro planeta.

El peso $P$ es una fuerza: la atracción que la Tierra ejerce sobre el cuerpo. Es una interacción a distancia, porque actúa aunque el cuerpo no toque nada. Cerca de la superficie de la Tierra todos los cuerpos que caen libremente aceleran igual, con $g$, así que por la segunda ley

$$P = mg,$$

dirigido hacia abajo, hacia el centro de la Tierra. En este curso usamos $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$. Como $1\ \text{kg}\cdot\text{m/s}^2 = 1\ \text{N}$, el peso sale en newtons.

Cuidado con el lenguaje de la calle: «peso 50 kilos» habla de la masa. Tu peso es una fuerza y se mide en newtons. Si viajaras a un planeta con otra $g$, tu masa sería la misma y tu peso sería otro.

La fuerza normal

Cuando un cuerpo está apoyado en una superficie, la superficie lo empuja. Esa fuerza de contacto se llama normal, $N$, porque es perpendicular («normal», en el lenguaje de la geometría) a la superficie.

La normal no tiene una fórmula propia. La superficie se deforma un poquito y empuja exactamente lo necesario para que el cuerpo no la atraviese. Por eso la normal se calcula siempre igual: con el diagrama de cuerpo libre y la segunda ley en el eje perpendicular a la superficie.

Si un libro descansa sobre una mesa horizontal y nadie más lo toca, en el eje vertical solo actúan el peso hacia abajo y la normal hacia arriba. El libro no se hunde ni se levanta, así que su aceleración vertical es cero y, por la primera ley,

$$N - mg = 0 \quad\Longrightarrow\quad N = mg.$$

Ese es un caso particular, no una regla. La normal vale $mg$ solo cuando el peso y la normal son las únicas fuerzas verticales y no hay aceleración vertical. Basta con que cambie una de esas dos condiciones para que la normal cambie:

  • Si empujas la caja con una fuerza inclinada hacia abajo, parte de tu fuerza la aprieta contra el piso y la normal crece: $N = mg + F\operatorname{sen}\theta$.
  • Si la halas con una cuerda inclinada hacia arriba, parte de tu fuerza la sostiene y la normal disminuye: $N = mg - F\operatorname{sen}\theta$.
  • Si la componente vertical de tu tirón llegara a igualar el peso, la normal sería cero y la caja dejaría de apoyarse. La normal nunca es negativa: el piso empuja, no jala.

En esas fórmulas $\theta$ es el ángulo entre tu fuerza y la horizontal, así que la componente vertical de la fuerza es $F\operatorname{sen}\theta$ y la horizontal es $F\cos\theta$. No hace falta memorizarlas: salen del diagrama.

El peso, la normal y la tercera ley

Es muy común decir que la normal es «la reacción del peso». No lo es. Los pares de acción y reacción de la tercera ley actúan sobre cuerpos distintos y son de la misma interacción:

  • El peso del libro es la fuerza de la Tierra sobre el libro. Su reacción es la fuerza con que el libro atrae a la Tierra, del mismo tamaño y hacia arriba, aplicada en la Tierra.
  • La normal es la fuerza de la mesa sobre el libro. Su reacción es la fuerza con que el libro empuja la mesa, del mismo tamaño y hacia abajo, aplicada en la mesa.

El peso y la normal actúan los dos sobre el libro y vienen de interacciones distintas (una a distancia y otra de contacto). A veces son iguales, como en la mesa quieta, y a veces no, como en un ascensor que acelera. Si fueran un par de acción y reacción, serían iguales siempre.

La balanza mide la normal

Una balanza de baño no mide tu masa: mide la fuerza con que la aprietas. Por la tercera ley, esa fuerza es igual a la normal que la balanza te hace a ti. Si la balanza muestra kilogramos, es porque divide la fuerza que mide entre $9{,}8\ \text{m/s}^2$, como si tú estuvieras en reposo. A lo que marca se le llama peso aparente.

En un ascensor, toma hacia arriba como positivo. Sobre ti actúan tu peso y la normal de la balanza, y la segunda ley queda

$$N - mg = ma \quad\Longrightarrow\quad N = m(g + a).$$

  • Si el ascensor acelera hacia arriba (arranca subiendo, o frena mientras baja), $a > 0$ y la balanza marca más que tu peso.
  • Si acelera hacia abajo (arranca bajando, o frena mientras sube), $a < 0$ y marca menos.
  • Si se mueve con velocidad constante, subiendo o bajando, $a = 0$ y marca tu peso: es la primera ley. Lo que importa es la aceleración, no hacia dónde se mueve.
1234567891012345678910xyPNF

La caja del ejemplo 2 con sus fuerzas a escala. El tirón F, inclinado 30° sobre la horizontal, sostiene una parte de la caja, y por eso la normal N queda más corta que el peso P. Suponemos un piso muy liso: la fricción es tema de la próxima lección.

Ejemplo resuelto

Masa y peso de un morral

Un morral tiene una masa de 6 kg. ¿Cuánto pesa en la Tierra, con g = 9,8 m/s²? ¿Cuánto pesaría en un planeta inventado donde g = 4 m/s²? ¿Cuál sería su masa allá?

Ver la solución paso a paso
  1. En la Tierra multiplicamos la masa por la aceleración de la gravedad:

    $$6 \cdot 9{,}8$$

  2. El peso es $P = 58{,}8\ \text{N}$.

  3. En el planeta inventado cambia $g$, no la masa:

    $$6 \cdot 4$$

  4. Allá el peso sería $P = 24\ \text{N}$.

  5. La masa sigue siendo 6 kg: es la misma cantidad de materia con la misma inercia. Lo que cambió es la fuerza con que el planeta la atrae.

Respuesta: Pesa 58,8 N en la Tierra y pesaría 24 N en el planeta inventado; su masa es 6 kg en los dos lugares.

Ejemplo resuelto

La normal cuando halas en diagonal

Simón hala una caja de 20 kg por un piso horizontal con una cuerda que forma 30° con la horizontal, con una fuerza de 50 N. ¿Cuánto vale la normal? ¿Y si en lugar de halarla la empujara con 50 N inclinados 30° hacia abajo? Usa g = 9,8 m/s².

Ver la solución paso a paso
  1. En el eje vertical la caja no se mueve, así que la suma de fuerzas verticales es cero. Hacia arriba van la normal y la componente vertical del tirón, $F\operatorname{sen}30^\circ$; hacia abajo, el peso:

    $$N + 50\operatorname{sen} 30^{\circ} - 20 \cdot 9{,}8 = 0$$

  2. Como $\operatorname{sen}30^\circ = \tfrac{1}{2}$, la componente vertical del tirón vale 25 N y el peso 196 N:

    $$N = 196 - 25$$

  3. La normal es

    $$N = 171$$

  4. Es menor que el peso, porque la cuerda sostiene una parte de la caja:

    $$171 < 20 \cdot 9{,}8$$

  5. Si la empuja hacia abajo, la componente vertical de su fuerza apunta hacia abajo y se suma al peso:

    $$N - 50\operatorname{sen} 30^{\circ} - 20 \cdot 9{,}8 = 0$$

  6. Despejamos la normal:

    $$N = 221$$

Respuesta: Halando, N = 171 N; empujando hacia abajo, N = 221 N. En ninguno de los dos casos la normal es igual al peso de 196 N.

El bloque en el sueloPNFCuerpo librePNFP = 196 N · N = 171 NF = 50 NArranca: a = 2,2 m/s² hacia la derecha · F·cos 30° = 43,3 N > μₛN = 0 N

La caja de 20 kg de Simón, en un piso sin fricción, halada con 50 N a 30° sobre la horizontal: la cuerda la levanta un poco y la normal baja a 171 N. Lleva el ángulo a 0° y la normal vuelve a ser el peso, 196 N; llévalo a −30°, empujando en diagonal hacia abajo, y la normal sube a 221 N.

Ejemplo resuelto

La balanza en el ascensor

Marta, de 60 kg, está de pie sobre una balanza dentro de un ascensor. Toma hacia arriba como positivo y g = 9,8 m/s². ¿Cuánto marca la balanza cuando el ascensor (a) arranca hacia arriba con una aceleración de 1,2 m/s², y (b) frena mientras sube, con una aceleración de 1,2 m/s² hacia abajo?

Ver la solución paso a paso
  1. (a) Sobre Marta actúan la normal de la balanza, hacia arriba, y su peso, hacia abajo. La segunda ley en el eje vertical, con $a$ positiva:

    $$N - 60 \cdot 9{,}8 = 60 \cdot 1{,}2$$

  2. Despejamos la normal:

    $$N = 660$$

  3. Una balanza que muestra kilogramos divide esa fuerza entre 9,8, así que marcaría unos 67,3 «kilos» aunque la masa de Marta siga siendo 60 kg:

    $$67{,}3 < \frac{660}{9{,}8} < 67{,}4$$

  4. (b) Ahora la aceleración apunta hacia abajo, así que entra con signo negativo:

    $$N - 60 \cdot 9{,}8 = 60 \cdot \left(-1{,}2\right)$$

  5. Despejamos:

    $$N = 516$$

  6. En «kilos», la balanza marcaría unos 52,7:

    $$52{,}6 < \frac{516}{9{,}8} < 52{,}7$$

  7. Las dos lecturas quedan a lado y lado del peso de Marta, que es 588 N:

    $$516 < 60 \cdot 9{,}8 < 660$$

Respuesta: (a) 660 N, unos 67,3 «kg» en la pantalla; (b) 516 N, unos 52,7 «kg». La masa de Marta no cambia: cambia la normal.

Práctica

Una estudiante tiene una masa de 45 kg. ¿Cuál es su peso, en newtons? Usa g = 9,8 m/s².

Un bulto de arroz pesa 294 N. ¿Cuál es su masa, en kilogramos? Usa g = 9,8 m/s².

Una caja de 15 kg está sobre un piso horizontal. Alguien la empuja con 40 N en una dirección inclinada 30° hacia abajo respecto a la horizontal. ¿Cuánto vale la normal, en newtons? Usa g = 9,8 m/s².

Una maleta de 10 kg descansa sobre un piso horizontal y alguien la hala con 60 N mediante una correa inclinada 30° hacia arriba. La maleta no se despega del piso. ¿Cuánto vale la normal, en newtons? Usa g = 9,8 m/s².

Un libro de 2 kg está sobre una mesa horizontal y alguien lo aprieta hacia abajo con la mano, con una fuerza vertical de 5 N. Con g = 9,8 m/s², ¿verdadero o falso? La normal sobre el libro vale 19,6 N.

Pablo, de 50 kg, está sobre una balanza en un ascensor que arranca hacia abajo con una aceleración de 2 m/s². ¿Cuánto marca la balanza, en newtons? Toma hacia arriba como positivo y g = 9,8 m/s².

Una persona de 70 kg está sobre una balanza que muestra kilogramos (divide la fuerza entre 9,8). El ascensor acelera hacia arriba a 0,98 m/s². ¿Qué número muestra la balanza?

Una persona de 60 kg está sobre una balanza en un ascensor cuyo cable se rompe, de modo que todo cae con aceleración de 9,8 m/s² hacia abajo. ¿Verdadero o falso? La balanza marca cero.

Un ascensor sube con velocidad constante. ¿Qué marca una balanza sobre la que está una persona, comparado con el peso de esa persona?

Un libro descansa sobre una mesa. Según la tercera ley de Newton, ¿cuál es la reacción del peso del libro?

Reto

Abre el candado del peso y la normal.

Cada respuesta, en newtons, es una cifra del código. En este candado usa g = 10 m/s² y toma hacia arriba como positivo.

Reto

Une cada cuenta de la normal con su valor en newtons.

Todas son de una caja de 20 kg con g = 9,8 m/s². Fíjate en el signo: ¿la fuerza extra aprieta la caja o la sostiene?

Cierre

En resumen

  • La masa (en kg) mide la inercia y no cambia de lugar en lugar; el peso P = mg es una fuerza (en N) y depende de g.

  • La normal es perpendicular a la superficie y vale lo que haga falta para que el cuerpo no la atraviese; se calcula con la segunda ley en el eje perpendicular.

  • La normal vale mg solo si el peso y la normal son las únicas fuerzas en ese eje y no hay aceleración en él; un empujón hacia abajo la aumenta y un tirón hacia arriba la disminuye.

  • El peso y la normal no son un par de acción y reacción; la reacción del peso es la atracción del cuerpo sobre la Tierra.

  • Una balanza mide la normal; en un ascensor marca N = m(g + a), con hacia arriba positivo.

Vocabulario

Masa

Cantidad de materia de un cuerpo y medida de su inercia. Se mide en kilogramos y no cambia de un lugar a otro.

Peso

Fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo. Vale P = mg, apunta hacia el centro de la Tierra y se mide en newtons.

Fuerza normal

Fuerza de contacto que una superficie ejerce sobre un cuerpo apoyado en ella, perpendicular a la superficie. Vale lo que haga falta para que el cuerpo no la atraviese.

Peso aparente

Lo que marca una balanza: la normal que la balanza le hace al cuerpo. Coincide con el peso solo si la aceleración vertical es cero.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Calcular lo que marcaría la balanza para una persona de 55 kg en las cuatro fases de un viaje en ascensor (arranca subiendo, sube constante, frena subiendo, quieto), con aceleraciones de 1,5 m/s² en los arranques y frenadas, y explicar con la primera y la segunda ley cada resultado.