Concepto de fuerza.

1.2.- concepto de fuerza

En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la Intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas. Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de fuerza es el newton que se representa con el símbolo , nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. El newton es una unidad derivada que se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.

La fuerza se puede definir desde el punto de vista dinámico como la causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo.

Las fuerzas pueden ser de dos tipos, de contacto o a distancia.

Fuerzas de contacto son aquellas que actúan solamente cuando es necesario el contacto físico entre los elementos que interaccionan. Ejemplo: cuando se golpea una pelota con una raqueta.

Fuerzas a distancia se producen sin necesidad de contacto físico entre los cuerpos que interaccionan. Ejemplo: la fuerza que ejerce la Tierra sobre un cuerpo y que hace que tienda a caer sobre ella si se encuentra en el aire. Esa fuerza se llama peso.

1.3. Descomposición de fuerzas en tres dimensiones.

En ocasiones, puede resultar muy útil descomponer una fuerza en dos fuerzas que tienen la misma dirección y sentido que los ejes del sistema de referencia que estemos empleando y cuyos efectos sumados sean equivalentes a la original.

Este procedimiento es muy común cuando, por ejemplo, debemos trabajar con el peso de un cuerpo que se encuentra sobre un plano inclinado. No te asustes, esto último lo estudiaremos más adelante.

Para calcular el módulo de estas fuerzas que llamaremos Fx y Y, podemos hacer uso de la definición del seno y del coseno:

Fx=F⋅cos(α) ; Fy=F⋅sin(α)

donde:

• F es el módulo de la fuerza original

• Fx es el módulo del vector que surge de la proyección del vector F en el eje x

• Fy es el módulo del vector que surge de la proyección del vector F en el eje y

• α es el menor ángulo entre F y el eje x

y para calcular la fuerza original F a partir de Fx y Fy utilizaremos la siguiente expresión que se obtiene aplicando el teorema de pitágoras:

F=Fx2+Fy2−−−−−−−−−√

1.3.1.- con vectores unitarios

Hemos estudiado los vectores a los que llamamosunitarios porque sus módulos valen 1.

En la figura siguiente:

Vector unitario es el que su módulo vale 1.

Teniendo en cuenta la definición de vector unitario podemos decir que las coordenadas de un vector unitario pueden ser distintas a cero y a 1. Lo único que debes tener en cuenta es que su módulo valga 1.

Anteriormente estudiamos que para calcular el vector a partir de los vectores perpendiculares

multiplicamos a sus módulos (de valor 1 cada uno) porlos valores de las coordenadas de x e y:

Es lógico que para hallar el vector unitario a partir de un vector cualquiera tengamos que dividir a sus coordenadas por su módulo.

1.3.2.-Con cosenos directores

Se llaman Cosenos directores del vector Å a los cosenos de los ángulos que forman cada uno de los ejes coordenados. En un plano tridimensional se representan:

Se identifican 3 ángulos en la imagen (Alpha = α, Beta = β, Gamma = γ) Y sus formulas para saber el tamaño del ángulo son:

Coseno de Alpha = Vector Ax / Modulo del vector |A|

Coseno de Beta = Vector Ay / Modulo del vector |A|

Coseno de Gamma = Vector Az / Modulo del vector |A|

Para saber el modulo del vector A se usa la formula:

1.4. Sistemas de fuerzas concurrentes

Un sistema de fuerzas concurrentes es aquel para el cual existe un punto en común para todas las rectas de acción de las fuerzas componentes. La resultante es el elemento más simple al cual puede reducirse un sistema de fuerzas. Como simplificación diremos que es una fuerza que reemplaza a un sistema de fuerzas. Se trata de un problema de equivalencia por composición, ya que los dos sistemas (las fuerzas componentes por un lado, y la fuerza resultante, por el otro) producen el mismo efecto sobre un cuerpo. En el ejemplo que veremos a continuación vamos a hallar la resultante en forma gráfica y en forma analítica.

EL SISTEMA

- Las fuerzas componentes son f1, f2 y f3.

- El punto en común por el que pasan las rectas de acción de las fuerzas componentes es A, cuyas coordenadas son (XA,YA).

- Para definir la resultante R deberemos obtener su módulo, dirección y sentido (argumento) y las coordenadas de un punto cualquiera de su recta de acción...

...como veremos a continuación, su módulo se obtiene midiendo con una regla en el gráfico y multiplicando por escala de fuerzas (por ejemplo: tn/cm).

...y su argumento se obtiene midiendo con transportador el ángulo que va desde el eje X hasta la fuerza, barriendo en el sentido de giro adoptado (horario o antihorario).

...y las coordenadas de un punto cualquiera de su recta de acción ya las conocemos, porque tratándose de un sistema de fuerzas concurrentes, la recta de acción de la resultante R también pasará por ese punto A.

RESOLUCIÓN GRÁFICA

Ahora vamos a hallar la resultante en forma gráfica. Para ello, considerando los datos dados, definiremos una escala de fuerzas (tantas toneladas equivalen a tantos centímetros dibujados en la hoja de papel). Luego iremos armando el polígono de fuerzas, dibujando una a una las fuerzas, una a continuación de la otra, respetando la longitud y el ángulo de cada una de ellas.

Datos del sistema:

f1=3t - 1=0º / f2=4t - 2=45º / f3=5t - 3=105º / A=(3,2)

Esc. fzas. = 1tn/1cm

Giro en sentido horario

(1) Utilizaremos regla para dibujar las fuerzas y transportador para trazar los ángulos... Considerando los datos, dibujamos la f1. En nuestro caso medirá 3cm.

(2) A continuación de f1, dibujamos la f2 que medirá 4cm.

(3) A continuación de f2, dibujamos la

f3 que medirá 5cm.

(4) Ahora dibujamos la fuerza resultante, que surge de unir el comienzo de la f1 con el extremo de la f3. La

...