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Física
Dinámica: características de las fuerzas.
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La estática es la parte de la física que estudia el equilibrio de las fuerzas. La cinemática
describe los movimientos sin ocuparse de las fuerzas.
La dinámica estudia la relación que existe entre las fuerzas que actúan sobre los cuerpos
y sus movimientos. Su pretensión es mayor que la de la cinemática: se propone no solo describir
los movimientos de los objetos sino además, explicarlos y predecirlos.
Las leyes de la dinámica fueron formuladas por Isaac Newton en el siglo XVII y son la
base de la física. Las tres leyes de Newton se conocen como: principio de inercia, el de masa y el
de acción y reacción.
El conjunto de estos temas forman parte de la mecánica una de las ramas de la física.
Busca información sobre: inercia, masa y peso!
Si aplicamos diferentes fuerzas sobre un objeto podemos verificar que se obtienen
distintas aceleraciones pero siempre F/a = constante, esta constante es la masa del objeto.
¿Qué aceleración experimenta un cuerpo de 1 Kg
al que se le aplica un kilogramo de fuerza?
a=F/m
como 1Kgf = 9,8 N
El kgf es una unidad de fuerza
que equivale, aproximadamente,
al peso de un litro de agua. Esto
es, el peso de un Kg (masa).
a = 9,8 N / 1 Kg = 9,8 m/s2
En el Simela la unidad de
fuerza es el newton en
fórmula: N = m · a
¿Qué fuerza es capaz de frenar en 10 m un objeto
de 100 Kg que se desplaza a 100 km/h?
F=m·a
t = 2x/ v
a = v2 / 2x
entonces
N = Kg · m/s2
como a= v/t y x = ½ v·t
como g= 9,8 m/s2
1 Kgf = 9,8 N
(ver tabla de fórmulas)
F = 100Kg · v2 / 2· 10m = 3 850 N
No confundir masa con peso. El peso de un objeto varía según el lugar en donde se lo
mida, mientras que su masa permanece siempre constante.
-Dinamómetro
¿
La balanza mide masas; el dinamómetro mide pesos.
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1. Se patea una pelota con una fuerza de 1,2 N y adquiere una aceleración de 3 m/s2.
¿Cuál es la masa de la pelota?
R: 0,4 kg
2. Una piedra de masa 1 kg cae en el vacío cerca de la superficie terrestre. ¿Hay fuerzas
aplicadas sobre ella? ¿Cuáles?
R: si.
3. Un avión de masa 6 000 Kg toma contacto con el piso a una velocidad de 500 km/h y
se detiene después de 10 segundos.
¿Cuánto vale la fuerza de rozamiento?
R: -83 400 N
(una ayudita)
Mientras el avión carretea, la única fuerza que actúa es la de rozamiento (frenos)
La ecuación de Newton queda F = m · a ; la masa la conocemos y la aceleración la calculamos como
∆v/ ∆t = -13,9 m/s2
4. Un elevador que sube acelerando a razón de 0,5 m/s2 lleva apoyada en el piso, una
caja que pesa 200 N. ¿Qué fuerzas actúan sobre la caja? ¿Qué intensidad tienen?
R: dos; 200 N y 210,2 N
(otra ayudita)
(En este caso la ecuación de Newton Σ F = m·a
queda: Fc – P = m · a)
5. En un ascensor hay una persona de 80 kg. Calcular la fuerza de contacto con el piso si:
a) el ascensor asciende, cada vez más rápido, con a = 1 m/s2
b) desciende, cada vez más rápido, con a = 1m/s2
c) desciende con velocidad constante.
R: a = 864 N
b) 704 N
c) 784 N
6. Un cuerpo pesa 24 Kg. ¿Qué fuerza le imprime una aceleración de 2,45 m/s2?
7. ¿Cuál es la aceleración de un cuerpo de 80 kg al imprimirle una fuerza de 250 kg?
8. ¿Cual es la masa en g de un cuerpo que pesa 5 000 N?
9. ¿Cuál es la fuerza aplicada a un cuerpo de 30 kgf si le comunica una aceleración de
50cm/seg2?
10. ¿Qué fuerza expresada en Kg imprime 2 m/s2 a un objeto de 10 kg?
11. ¿Cuál es la fuerza aplicada a un cuerpo de 30 kg si le comunica 120 cm/s2?
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Fuerzas
La comprensión del concepto de fuerza se remonta a la ley de la gravitación universal,
que reconocía que todas las partículas materiales, y los cuerpos formados por estas partículas,
tienen una propiedad denominada masa gravitacional. Esta propiedad hace que dos partículas
cualesquiera ejerzan entre sí una fuerza atractiva (a lo largo de la línea que las une)
directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de
la distancia que las separa.
Fuerzas fundamentales, aquellas fuerzas del Universo que no se pueden explicar en
función de otras más básicas. Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora
son cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.
La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y
afecta a todos los cuerpos. Es una fuerza muy débil pero de alcance infinito.
La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza
involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más
intensa que la fuerza gravitatoria y su alcance es infinito.
La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los
núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o
neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares (10-15 m), pero es más intensa
que la fuerza electromagnética.
La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los
neutrones (véase Física nuclear); los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de
interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún
menor que el de la interacción nuclear fuerte (10-18 m).
Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estas
fuerzas que se diferencian unas de otras porque cada una implica el intercambio de un tipo
diferente de partícula, denominada partícula de intercambio o intermediaria.
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La fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro fuerzas de la naturaleza. Por ejemplo,
la fuerza gravitatoria entre dos protones (una de las partículas elementales más pesadas) es 1036
veces menos intensa que la fuerza electrostática entre ellos, sea cual sea la distancia que los
separe.
En el caso de dos protones situados en el núcleo de un átomo, la fuerza electrostática de
repulsión es a su vez mucho menor que la interacción nuclear fuerte. El que la gravedad sea la
fuerza dominante a escala macroscópica se debe a dos hechos: 1) según se sabe, sólo existe un
tipo de masa, por lo que sólo existe un tipo de fuerza gravitacional, siempre atractiva; esto hace
que las fuerzas gravitacionales de las numerosísimas partículas elementales que componen un
cuerpo como la Tierra se sumen, con lo que la fuerza total resulta muy grande.
2) Las fuerzas gravitacionales actúan a cualquier distancia, disminuyendo según el
cuadrado de la separación entre los cuerpos.
En cambio, las cargas eléctricas de las partículas elementales, que originan las fuerzas
electrostáticas y electromagnéticas, pueden ser positivas o negativas. Las cargas iguales se
repelen y las cargas opuestas se atraen. Los cuerpos formados por muchas partículas tienden a
ser eléctricamente neutros, y las fuerzas eléctricas ejercidas por las partículas, aunque tienen un
alcance infinito al igual que la fuerza de gravedad, se cancelan mutuamente.
Por su parte, las interacciones nucleares, tanto la fuerte como la débil, tienen un alcance
extremadamente corto, y apenas son apreciables a distancias mayores de una billonésima de
centímetro.
A pesar de su importancia macroscópica, la fuerza de la gravedad es tan débil que un
cuerpo tiene que poseer una masa enorme para que su influencia sobre otro cuerpo resulte
apreciable. Por eso, la ley de la gravitación universal se dedujo de las observaciones del
movimiento de los planetas mucho antes de que pudiera comprobarse de forma experimental.
Esto sucedió en 1771, cuando el físico y químico británico Henry Cavendish confirmó la ley
utilizando grandes esferas de plomo para atraer pequeñas masas unidas a un péndulo de
torsión.
A partir de esas medidas, Cavendish también dedujo la masa y la densidad de la
Tierra.
Galileo, con anterioridad a la formulación de las leyes de Newton, observó que
todos los cuerpos caen con la misma aceleración independientemente de su masa.
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Dinámica: Ejercicios
12) Calcular el peso en N de un cuerpo cuya masa es de 540 Kg.
Rta.: 5292 N
13) Calcular la aceleración de un cuerpo de 45 kg. al aplicarle una fuerza de 2250N
Rta.: 50 m/seg2.
14) Calcular el peso de un cuerpo al que se le aplica una fuerza de 5400N y produce una aceleración de
0,72 m/seg2. Rta.: 7,5 . 104 N
15) ¿Qué fuerza será necesaria para que un cuerpo de 500N de peso alcance una velocidad de 30m/s en 10
seg. partiendo del reposo ? Rta.: 150 N
16) Estamos en los últimos minutos del partido que está empatado. A Diego le toca patear el último penal.
Ubica la pelota de 1,5 Kg. a doce metros del arco y tras un breve trote patea el balón que llega en 0,3
seg. a las manos del arquero quien se ha arrojado 4m al costado para atajar. ¿ Con qué fuerza le pega en
la mano ? (ojo, hay que calcular la distancia que recorre la pelota) Rta.: 421,64 N
17) Un cuerpo de 20 kg. recorre 200 m en 5 seg ¿qué fuerza lo impulsaba? Rta.: 320 N
18) En un laboratorio se estudia una extraña partícula. Ella es capaz de recorrer 200000 m cuando se le
aplica una fuerza de 500N, en apenas 0,032 seg. Hallar la masa de esta partícula. Rta.: 1,28 . 10 –6 kg.
19) Un vagón cuya masa es de dos toneladas se halla fuera de control, corriendo con una velocidad de 54
Km./h. ¿Qué fuerza habrá que aplicarle para que se detenga a los 100m? Rta.: – 2250 N
20) Hallar la aceleración y la tensión en cada caso.
Rta: a) 2,4 m/seg2 b) 2,8 m/seg2 ; 28 N c) 2 m/seg2 ; 16 N d) 0,4 m/seg2 ; 26 N
21) Un hombre de 60 Kg. está parado sobre una balanza dentro de un ascensor que sube a 1 m/seg. Al
llegar a destino frena con una aceleración de 2 m/seg2. Entonces, en ese tramo, la balanza indicará:
a) 720 N b) 600 N c) 660 N d) 480 N e) otro valor Rta: d.