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Fuerzas equilibradas y no equilibradas: su papel en el movimiento
En física, entender los conceptos de fuerza y momento nos ayuda a comprender cómo se mueven los objetos. Uno de los principales instrumentos para hacerlo son las leyes de movimiento de Newton. En esta explicación, exploraremos cómo las fuerzas equilibradas y no equilibradas juegan un papel clave en determinar el movimiento de un objeto.
Definición de fuerza
La fuerza es el empuje o tirón sobre un objeto que resulta de la interacción de ese objeto con otro objeto. Es una cantidad vectorial, lo que significa que tiene tanto magnitud como dirección. Las fuerzas pueden hacer que un objeto se mueva, deje de moverse, cambie de dirección, acelere o desacelere.
La fuerza se mide en newtons (N), donde 1 newton es la cantidad de fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 kilogramo a una velocidad de 1 metro por segundo cuadrado.
¿Qué son las fuerzas equilibradas?
Las fuerzas equilibradas son fuerzas que son iguales en tamaño pero opuestas en dirección. Cuando las fuerzas sobre un objeto están equilibradas, se cancelan entre sí y no hay cambio en el movimiento del objeto. En términos simples, las fuerzas equilibradas no acelerarán un objeto en reposo ni cambiarán la velocidad o dirección de un objeto en movimiento.
Ejemplo visual de fuerzas equilibradas
En el ejemplo anterior, dos fuerzas actúan sobre un objeto en direcciones opuestas con magnitudes igual a 50 N. Dado que son iguales y opuestas, se equilibran entre sí, lo que resulta en ninguna fuerza neta. Por lo tanto, el objeto permanecerá en su estado actual, ya sea en reposo o moviéndose a una velocidad constante.
Ejemplos de fuerzas equilibradas
Ejemplo 1: Un libro sobre la mesa
Imagina un libro sobre una mesa. La gravedad tira del libro hacia abajo y la mesa ejerce una fuerza igual y opuesta hacia arriba. Estas fuerzas están equilibradas, por lo que el libro permanece en reposo.
Ejemplo 2: Tira y afloja
Imagina dos equipos en un tira y afloja. Si ambos equipos tiran con la misma fuerza, la cuerda no se moverá hacia ningún lado, demostrando una fuerza equilibrada.
¿Qué son las fuerzas no equilibradas?
Las fuerzas no equilibradas ocurren cuando dos fuerzas que actúan sobre un objeto no son iguales en tamaño. Cuando las fuerzas son no equilibradas, hacen que un objeto se mueva, cambie de dirección, cambie de velocidad o cambie de forma.
Ejemplo visual de fuerzas no equilibradas
Aquí, las fuerzas que actúan sobre el objeto no son iguales. F 1 es mayor que F 2. Esto resulta en una fuerza neta, que acelera el objeto en la dirección de F 1.
Ejemplos de fuerzas no equilibradas
Ejemplo 1: Mecer una silla
Cuando empujas una silla estacionaria, aplicas una fuerza mayor que cualquier fuerza resistiva (como la fricción). Como resultado, la silla se mueve en la dirección de la fuerza aplicada.
Ejemplo 2: Una patada de fútbol
Patear una pelota de fútbol estacionaria ejerce una fuerza que supera la fricción y la resistencia del aire, enviando la pelota a volar por el campo. La dirección y velocidad dependen de la fuerza aplicada.
Primera ley de movimiento de Newton
La primera ley de movimiento de Newton, también llamada la ley de la inercia, establece:
Un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento permanece en movimiento a menos que una fuerza no equilibrada actúe sobre él.Esta ley significa que si no actúa ninguna fuerza neta sobre un objeto (si todas las fuerzas están equilibradas), entonces el objeto mantendrá su estado presente, ya sea permaneciendo en reposo o moviéndose a una velocidad constante.
Ejemplo de la primera ley de Newton
Si deslizas un disco de hockey sobre el hielo, continuará deslizándose en línea recta a una velocidad constante a menos que la fricción u otra fuerza lo detenga.
Segunda ley de movimiento de Newton
La segunda ley de movimiento de Newton se puede expresar como:
F = m * aDónde:
Fes la fuerza neta aplicada sobre el objeto (en newtons),mes la masa del objeto (en kilogramos), yaes la aceleración del objeto (en metros por segundo al cuadrado).
Esta ley describe cómo cambia la velocidad de un objeto cuando se aplica una fuerza externa sobre él. Implica que la aceleración de un objeto depende directamente de la fuerza neta aplicada sobre el objeto e inversamente de su masa.
Ejemplo de la segunda ley de Newton
Considera empujar dos carritos, uno vacío y el otro cargado con ladrillos, aplicando la misma cantidad de fuerza. El carrito vacío (que tiene menos masa) se moverá más rápido que el carrito cargado con ladrillos debido a su menor masa.
Tercera ley de movimiento de Newton
La tercera ley de Newton establece:
Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.Esto significa que las fuerzas siempre ocurren en pares. Cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primer objeto. Esto es por lo que cuando saltas de un barco pequeño, se desliza hacia atrás mientras te mueves hacia adelante.
Ejemplo de la tercera ley de Newton
Cuando te sientas en una silla, tu cuerpo ejerce una fuerza descendente sobre la silla, y la silla ejerce una fuerza ascendente igual sobre tu cuerpo.
Papel de la resistencia del aire y la fricción
En escenarios del mundo real, la resistencia del aire y la fricción son fuerzas que comúnmente actúan sobre objetos en movimiento y a menudo equilibran o contrarrestan otras fuerzas.
Fricción: Actúa en sentido opuesto a la dirección de movimiento, a menudo ralentizando el movimiento de los objetos. Puede existir en muchas formas, como fricción deslizante, rodante o estática.
Resistencia del aire: Un tipo de fuerza de fricción que actúa contra un objeto que se mueve a través del aire. Su efecto es más notable a mayores velocidades, como en ciclistas o aviones.
Conclusión
Comprender las fuerzas equilibradas y no equilibradas proporciona una comprensión fundamental de los fenómenos cotidianos y establece las bases para una exploración más profunda de la física del movimiento. Al aplicar las leyes del movimiento de Newton, podemos predecir y cuantificar el comportamiento de los objetos bajo diferentes condiciones de fuerza.
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