4 tipos importantes de fuerza (explicados con un diagrama)

Algunos de los tipos más importantes de fuerza son los siguientes: 1. Fuerza de fricción 2. Fuerza magnética 3. Fuerza electrostática 4. Fuerza gravitacional.

Hasta ahora hemos discutido el tipo de fuerza que aplicamos mediante la ejecución de nuestros propios músculos. En términos generales, podemos llamar a esta fuerza muscular. Este tipo de fuerza solo puede actuar cuando está en contacto con un cuerpo. No puede empujar una mesa a lo largo del piso a menos que sus manos estén en contacto con ella, por ejemplo.

Esta es la razón por la que este tipo de fuerza se llama fuerza de contacto. Hay algunas fuerzas que pueden actuar sobre un cuerpo a distancia. Tales fuerzas se llaman fuerzas sin contacto. Antes de discutir tales fuerzas, estudiemos una fuerza de contacto muy importante llamada fuerza de fricción.

1. Fuerza de fricción:

Has aprendido que se requiere una fuerza para detener el movimiento de un cuerpo en movimiento. Entonces, ¿por qué un swing no continúa moviéndose para siempre una vez que le has dado un empujón? ¿Y por qué una bola no rueda sin parar una vez que la has pateado, incluso si no se aplica ninguna fuerza para detenerla?

Esto se debe a que cuando (la superficie de) un cuerpo se mueve sobre otro, la fuerza de fricción actúa en una dirección opuesta a la del movimiento. La fuerza de fricción siempre se opone al movimiento, tratando de detener el movimiento de una superficie sobre otra. Sin embargo, la fuerza de fricción depende de la naturaleza de las dos superficies en contacto.

Esto se aclarará después de que realice la siguiente actividad.

Coloque un extremo de una tira de cartón o madera contrachapada en un bloque de madera o un ladrillo. Coloque el otro extremo en el piso, como se muestra en la Figura 8.5. Coloque una pequeña pelota de goma cerca de la parte superior y déjela rodar sobre el piso. Note la distancia que la pelota viaja a lo largo del piso.

Pruebe esta actividad en diferentes tipos de pisos (por ejemplo, un piso de baldosas y un piso alfombrado). Note la distancia que la pelota viaja cada vez. Trate de mantener el cartón inclinado en el mismo ángulo cada vez. Verás que la bola viaja más lejos en un piso más liso.

Ninguna superficie es perfectamente lisa. Incluso la superficie más lisa tiene pequeños baches y agujeros por todas partes. Cuando dos superficies se mueven una sobre la otra, las protuberancias y los agujeros en ambas se interponen entre sí. Esto es lo que causa la fricción. Obviamente, cuanto más suave es la superficie, menor es la fuerza de fricción. Es por eso que una pelota viaja una distancia mayor sobre un suelo embaldosado que sobre un piso alfombrado.

Fricción estática y cinética :

La fuerza de fricción no solo depende de la naturaleza de las superficies en contacto. También depende de si algo se está moviendo sobre una superficie o está parado.

Actividad:

Intente empujar un diccionario pesado sobre la superficie de una mesa. Empuje suavemente primero, con uno o dos dedos. Sentirás la resistencia a la fricción. Sigue aumentando la fuerza que aplicas hasta que el diccionario comience a moverse. ¿La resistencia ofrecida por la fricción, o la fuerza de fricción, parece disminuir cuando el libro comienza a moverse?

Cuando se aplica una fuerza para mover un cuerpo, la fuerza de fricción resiste el movimiento. A medida que aumenta la fuerza, la fuerza de fricción también aumenta, hasta que la fuerza aplicada se vuelve mayor que la fuerza de fricción. Al igual que la fuerza aplicada se vuelve mayor que la fuerza de fricción, el cuerpo comienza a moverse.

Y a medida que el cuerpo comienza a moverse, la fuerza de fricción disminuye. Es como si la fuerza de fricción tuviera una fuerza limitada, y mientras la fuerza aplicada no cruce este límite, la fuerza de fricción flexiona sus músculos y actúa como un matón. Cuando la fuerza aplicada logra superar este límite, la fuerza de fricción pierde el corazón y se debilita.

Recuerda dos cosas en este contexto.

1. Un cuerpo comienza a moverse cuando la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción.

2. La fricción estática, que actúa cuando un cuerpo está parado, es mayor que la fricción cinética, que actúa cuando un cuerpo está en movimiento.

Cuando la fricción es útil :

La vida sería bastante imposible sin fricción. No podrías caminar, por ejemplo. Es la fricción entre el piso y las plantas de los pies o los zapatos lo que le permite caminar cómodamente. Sin fricción, se resbalaría, como lo hace en un piso recién pulido, una piel de plátano o cuando alguien derrama agua en el piso.

De manera similar, sin fricción entre los neumáticos y la carretera, los vehículos patinarían, como lo hacen a veces en carreteras mojadas (el agua y el hielo reducen la fricción). Los frenos de un vehículo también funcionan por fricción. Cuando el conductor presiona el pedal del freno, las zapatas de freno frotan contra una superficie áspera detrás de las ruedas. Esto produce fricción, lo que ralentiza las ruedas.

Cuando escribes con un lápiz, la fricción entre la punta de tu lápiz y el papel hace que pequeñas partículas de carbono se desprendan de la punta y dejen una marca en el papel. Sería imposible escribir sin fricción: intente escribir sobre un vidrio con un lápiz. Necesitas fricción para encender un fósforo. Si golpeas un fósforo en una superficie lisa, no se encenderá.

Cuando la fricción causa problemas :

La fricción hace que las superficies se desgasten. Las suelas de tus zapatos se desgastan debido a la fricción. Lo mismo ocurre con varias piezas de la máquina que se frotan entre sí. Puede ver por sí mismo cómo la fricción causa desgaste al frotar una goma de borrar primero sobre papel y luego sobre papel de lija. El papel de lija desgastará el borrador mucho más rápido porque es más áspero.

La fricción también desperdicia energía. Cuando montas en bicicleta, por ejemplo, utilizas energía para superar la fricción entre las partes móviles de la bicicleta y la fricción con el aire.

A medida que se abre paso a través del aire, una fuerza de fricción llamada resistencia del aire se opone a su movimiento. Cuanto más rápido te muevas, mayor es la resistencia, hasta un punto en el que toda tu energía se utiliza para superar esta resistencia. No puedes acelerar más allá de este punto.

Otra desventaja de la fricción es que genera calor. Cuando frotas las palmas unas contra otras, puedes sentir el calor generado por la fricción. Cuando golpeas un partido, el calor generado por la fricción ayuda a encender el partido. El calor generado por la fricción puede dañar las máquinas, por lo que se usan refrigerantes para bajar la temperatura.

Reducción de la fricción:

Como la fricción desperdicia energía, desgasta las piezas de la máquina y causa calentamiento, los ingenieros siempre intentan reducir la fricción. Una forma de reducir la fricción es hacer que las superficies en contacto queden lisas mediante el pulido. Otra forma es engrasar.

El aceite reduce la fricción al llenar las abolladuras en las superficies que se mueven unas contra otras en una máquina (es por esto que las personas realizan ciclos de aceite y máquinas de coser). También evita el contacto directo entre las superficies formando una película entre ellas.

Otra forma de reducir la fricción es usar rodamientos de bolas o rodamientos de rodillos. Los rodamientos vienen en muchas formas y tamaños y se utilizan para reducir la fricción, especialmente cuando una varilla gira dentro de un agujero, como en una rueda de bicicleta. Las que se usan entre el cubo de la rueda y el eje de una bicicleta son pequeñas bolas de acero. La siguiente actividad le ayudará a comprender cómo los cojinetes de bolas ayudan a reducir la fricción.

Actividad:

Intente empujar una caja pesada o maleta sobre el piso. Luego, pídale a un adulto que lo ayude a colocar un par de barras (por ejemplo, barras de cortina) debajo de la caja y empuje nuevamente. También puede colocar lápices o velas debajo de un libro pesado e intentar moverlo sobre la superficie de una mesa. Será más fácil mover la caja o el libro cuando tenga 'rodillos' debajo.

Esto se debe a que la fricción de rodadura es menor que la fricción de deslizamiento. En otras palabras, la fuerza de fricción es mayor cuando una superficie se desliza sobre otra que cuando rueda sobre la otra.

Por esta razón, los rodamientos de bolas, que se pueden rodar libremente, se colocan entre las partes móviles de las máquinas. Esta es la razón por la cual hay ruedas debajo de las maletas y carritos de televisión. De hecho, la invención de la rueda fue el resultado del descubrimiento de que la fricción rodante es menor que la fricción deslizante. Las personas deben haber notado que colocar los troncos debajo de los trineos facilita el empujar los trineos. Luego, deben haber hecho ruedas en bruto de troncos y las han fijado a sus carritos.

Racionalización:

El aire y el agua también ofrecen resistencia al movimiento. Los voladores de la naturaleza (aves) y los nadadores (peces) están diseñados para reducir esta resistencia. Tienen lo que se llama cuerpos aerodinámicos. Un cuerpo aerodinámico tiene contornos suaves.

Cuando un cuerpo así se mueve a través del agua o el aire, altera el flujo natural de agua o aire lo menos posible. Esto reduce la resistencia ofrecida por el aire o el agua a su movimiento. Los automóviles, aviones y barcos están diseñados para tener cuerpos aerodinámicos.

Aumento de la fricción:

En algunas situaciones, nos resulta ventajoso aumentar la fricción. Las suelas de nuestros zapatos y los neumáticos de los vehículos, por ejemplo, tienen ranuras para aumentar la fricción. Si fueran suaves, correría el riesgo de resbalarse o patinar.

Los zapatos que usan los atletas y montañeros tienen picos debajo para mejorar el agarre. Los pedales de una bicicleta, el volante de un automóvil, el mango de un cuchillo, podría pensar en muchos ejemplos en los que las superficies se hacen rugosas para aumentar la fricción.

2. Fuerza magnética:

Las cosas hechas de hierro son atraídas por un imán. La fuerza con la que un imán atrae tales cosas se llama fuerza magnética, y el fenómeno se llama magnetismo. Debes haber notado que un imán no tiene que estar en contacto con algo hecho de hierro para atraerlo. A diferencia de la fuerza muscular y la fuerza de fricción, la fuerza magnética puede actuar desde una distancia.

3. Fuerza electrostática:

Si pasas un peine por el cabello (siempre que esté seco) unas cuantas veces y luego sostienes el peine sobre pequeños pedazos de papel, se dibujarán en el peine. La fuerza que actúa sobre las piezas de papel se llama fuerza electrostática. Este es otro tipo de fuerza que puede actuar a distancia. Aprenderás más sobre esto en otro capítulo.

4. Fuerza gravitacional:

Sabes que todo lo que está en o cerca de la tierra es atraído hacia él por la fuerza de la gravedad. Esto es lo que hace que una bola caiga cuando la pateas hacia arriba. Si no hubiera habido fuerza de gravedad, la pelota volaría de inmediato. La luna también atrae las cosas con su propia fuerza de gravedad. Y también lo hacen todos los otros planetas, el sol y todas las estrellas. De hecho, cualquiera de los dos cuerpos en este universo se atraen entre sí por una fuerza llamada fuerza gravitacional.

Esta ley se llama ley de gravitación de Newton en honor a Sir Isaac Newton, el físico y matemático inglés que la descubrió. Quizás te preguntes por qué no sientes que tu autobús escolar o tus compañeros te atraigan con la fuerza de la gravedad.

El problema es que la fuerza gravitatoria depende de las masas de los dos cuerpos involucrados. Y a menos que uno de los cuerpos sea muy masivo, no se puede sentir. Esto también explica por qué la fuerza de gravitación de la Tierra es mucho mayor que la de la Luna. Es porque la masa de la tierra es mucho mayor que la de la luna.

Campo gravitacional:

Cuando dejamos caer una bola desde una altura, es empujada hacia abajo por la fuerza gravitacional de la tierra, aunque la bola no está en contacto con la tierra. Esto significa que la fuerza gravitacional de la Tierra puede actuar a distancia, al igual que las fuerzas magnéticas y electrostáticas. Ahora, ¿la tierra aplica la fuerza sobre la bola directamente?

¿O la tierra aplica esta fuerza indirectamente a través de algo que está en contacto con la pelota? Los científicos prefieren la segunda opción, ya que les permite describir muchos fenómenos naturales. Dicen que la masa de un objeto (como la tierra) produce un campo gravitatorio alrededor del objeto. Es este campo el que ejerce una fuerza gravitatoria en todos los objetos cercanos y lejanos.

Peso:

Ya has aprendido en tu clase anterior que el peso de un cuerpo depende de su masa. El peso de un cuerpo es en realidad la fuerza con que la tierra lo atrae. Si la tierra no nos atrajera, no tendríamos peso, aunque todavía tendríamos la misma masa que tenemos ahora.

Un balance de resorte es un dispositivo que puede usar para medir el peso de un cuerpo. La siguiente actividad te mostrará cómo. No se puede usar un balance de haz para medir el peso de un cuerpo porque simplemente compara la masa de un cuerpo con la masa conocida de un peso estándar.

Actividad:

Cuelgue un resorte de un clavo y note su longitud. Si no puedes conseguir un resorte, una banda elástica ancha te servirá. Cuelgue una piedra pequeña del otro extremo de la primavera y observe el aumento en su longitud. Cuelgue una piedra más grande y note el cambio en la longitud del resorte nuevamente. Puedes probar esta actividad con piedras de varios tamaños.

Notará que cuanto más grande es la piedra, más se extiende la primavera. Esto se debe a que una piedra más grande tiene una masa mayor, por lo que la tierra la arrastra con una fuerza mayor (la fuerza gravitatoria depende de la masa, recuerde). Este es el principio sobre el que funciona un balance de primavera. Tiene marcas para medir el peso de un cuerpo de acuerdo a cuánto se extiende el resorte interior cuando el cuerpo se cuelga de su gancho.

Si pudieras medir el peso de una masa de 1 kg en la luna, tu balance de primavera mostrará una sexta parte de la lectura que muestra en la tierra. Y en Júpiter, la lectura sería el doble que en la Tierra. Muchos balances de primavera muestran lecturas en kilogramos. Como el balance de un resorte mide el peso de un cuerpo o la fuerza de gravedad que actúa sobre él, las lecturas deben ser en kilogramos de peso (kg-wt) o kilogramos de fuerza (kgf).

Unidad de fuerza:

Existe una relación muy estrecha entre la fuerza de gravedad que actúa sobre una masa de 100 g y la unidad de fuerza SI, llamada newton (símbolo: N). El peso de una masa de 100 g o la fuerza de gravedad que actúa sobre ella es de 0.98 N. Por lo tanto, el peso de una masa de 1 kg = 9.8 N.