Fuerzas

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En la Naturaleza tan sólo existen 4 tipos de interacción:

• INTERACCIÓN GRAVITATORIA: Interacción que se produce entre partículas con

masa. Aditiva y siempre atractiva. Muy débil, pero debido a ese carácter aditivo es

por lo que es la que gobierna el Universo.

• INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA: Entre cargas eléctricas. Atractiva si las

cargas tienen distinto signo y repulsiva si los signos son iguales. Mucho más fuerte

que la interacción gravitatoria.

• INTERACCIÓN NUCLEAR ´FUERTE: Responsable de mantener unidos a protones y

neutrones para formar los núcleos atómicos. Solo apreciable a escala nuclear.

• INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL: Actúa en el interior del núcleo. Muy inferior a la

fuerza nuclear fuerte. Responsable de determinados procesos radiactivos.

INTERACCIONES FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA

Eric Calvo Lorente 1º Bach Fuerzas 1

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Isaac Newton estableció la conocida como LEY DE LA GRAVITCIÓN UNIVERSAL, a

través de la cual se cuantifica la interacción entre dos masas. La importancia de esta ley

es la de visualizar como la misma causa aquella por la que un cuerpo cae hacia el suelo

como aquella otra por la que la Tierra orbita alrededor del Sol.

Matemáticamente se expresa como:

𝐹 = 𝐺.𝑀.𝑚

𝑟2

donde 𝐺 ≡ 6´67. 10−11𝑁.𝑚2. 𝐾𝑔−2

𝑀,𝑚 ≡ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜𝑠 (𝐾𝑔)𝑟 ≡ 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜𝑠

INTERACCIÓN GRAVITATORIA(I)


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En la superficie terrestre (o zonas próximas a ella), la interacción entre un cuerpo y la

Tierra es la fuerza conocida como PESO. Por lo tanto:

𝑃 = 𝑚𝑔

𝐹 = 𝐺.𝑀.𝑚

𝑟2

→ 𝑔 = 𝐺.𝑀

𝑟2

El valor de g para puntos cercanos a la superficie terrestre es de 9´8 m.s-2

Puesto que en la determinación de g no influye la masa del cuerpo tratado, se concluye

que la ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD ES LA MISMA PARA TODOS LOS

CUERPOS (suponiendo la inexistencia de rozamientos con el aire), con lo que los

estudios cinéticos al respecto serán independientes de la masa del cuerpo estudiado.

INTERACCIÓN GRAVITATORIA(II)


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Un concepto muy útil en Física es el de CAMPO. Este concepto o magnitud, aplicada al

caso de la gravitación nos indica que:

“SE CONOCE COMO CAMPO GRAVITATORIO A LA ZONA ALREDEDOR DE UNA

MASA EN LA QUE PUEDEN PERCIBIRSE SUS EFECTOS GRAVITACIONALES”.

El valor o intensidad de este campo gravitatorio es igual a:

𝑔 =𝐹

𝑚= 𝐺.

𝑀

𝑟2

Por tanto, la intensidad del campo gravitatorio representa la fuerza con la que la Tierra

atraería a la unidad de masa. Su unidad es el N/m ó m.s-2

INTERACCIÓN GRAVITATORIA(III). CONCEPTO DE CAMPO


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Las interacciones eléctrica y magnética son dos aspectos de una única interacción, la

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

La interacción eléctrica viene determinada matemáticamente a través de una ecuación

denominada LEY DE COULOMB:

𝐹 = 𝐾.𝑄. 𝑄´

𝑟2

donde

𝐾 ≡ 9. 109𝑁.𝑚2. 𝐶−2

𝑄, 𝑄´ ≡ 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 (𝐶𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑖𝑜𝑠 ≡ 𝐶)𝑟 ≡ 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠

La interacción entre cargas es directamente proporcional al valor de las cargas, e

inversamente proporcional a la distancia que las separa. La interacción está dirigida en

la dirección que une las cargas

Cuando las cargas tienen igual signo, el signo de F será positivo, indicando repulsión; si

las cargas tienen distinto signo, F será negativo, con lo que las cargas se atraerán.

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. FUERZAS ELÉCTRICAS


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La interacción magnética aparece entre cargas en movimiento relativo; es el caso de

cargas en movimiento o corrientes eléctricas. La similitud con los imanes se comprende

fácilmente al comprobar que los imanes deben sus propiedades a la existencia de

corrientes microscópicas en su interior.

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. FUERZAS MAGNÉTICAS


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Este tipo de fuerzas aparece cuando un cuerpo desliza sobre la superficie de otro

cuerpo. Se oponen SIEMPRE AL MOVIMIENTO.

Desde un punto de vista atómico, aparecen como consecuencia de las interacciones

electromagnéticas entre los átomos de las superficies de los cuerpos que deslizan.

FUERZAS DE ROZAMIENTO (I)


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La fuerza de rozamiento se caracteriza por:

• No depende del área de las superficies

de contacto entre los cuerpos que

deslizan.

• Su dirección es la de la velocidad, aunque su sentido es el opuesto. Se opone, pues,

al movimiento.

• Su valor viene dado por:

𝐹𝑟𝑜𝑧 = 𝜇. 𝑁 𝜇 ≡ 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑁 ≡ 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙

FUERZAS DE ROZAMIENTO (II)


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La normal es la fuerza ejercida por la superficie en la que se apoya el cuerpo, en

dirección perpendicular a dicha superficie. Es la reacción a la fuerza ejercida por el

cuerpo sobre dicha superficie (en la que se apoya), con lo que tendrá su mismo valor,

dirección, pero sentido opuesto.

FUERZAS DE ROZAMIENTO (III)


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𝐹𝑟𝑜𝑧 = 𝜇.𝑁 = 𝜇.𝑚. 𝑔

FUERZAS DE ROZAMIENTO (IV)


𝐹𝑟𝑜𝑧 = 𝜇.𝑁 = 𝜇.𝑚. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛼

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Como ya sabemos, las fuerzas, además de modificar el estado de movimiento o reposo

de un cuerpo, también pueden producir deformaciones en ellos. En función del efecto

producido por estas deformaciones, los sólidos pueden clasificarse en:

• Rígidos: Estos cuerpos no se deforman bajo el efecto de una fuerza.

• Plásticos: Se deforman ante la acción de una fuerza, y cuando esta cesa, quedan

deformados.

• Elásticos: Se deforman ante la aplicación de una fuerza, pero recuperan su estado

inicial al finalizar esta.

El estudio de las fuerzas que oponen los cuerpos elásticos a ser deformados puede

analizarse fácilmente a través del estudio de resortes.

FUERZAS ELÁSTICAS (I)


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Cuando sobre un muelle se realiza

una fuerza para deformarlo, este

realizará una fuerza igual en módulo

y dirección, pero de sentido contrario

que intentará reestablecer su estado

inicial; es la llamada FUERZA

RESTAURADORA.

El valor de esta fuerza restauradora

Dependerá, por un lado, de la

naturaleza del muelle, y por otra, del valor de la deformación. Estas circunstancias

quedan plasmadas en la LEY DE HOOKE, cuya expresión matemática resulta ser:

𝐹𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎 = −𝑘. ∆𝑥

, donde:

𝑘 ≡ 𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 (𝑁

𝑚)

∆𝑥 ≡ 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑟𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 (𝑚)(𝐸𝑙 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑙𝑎 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛

FUERZAS ELÁSTICAS (II)


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Como sabemos, la creación de un movimiento circular es debida a la existencia de una

aceleración dirigida en todo momento hacia el centro de curvatura. Esta aceleración es

conocida como aceleración centrípeta, radial o normal. Su valor viene dado, como

sabemos, por la expresión:

𝑎𝑐 =v2

R

La causa que provoca esta aceleración es la FUERZA CENTRÍPETA (RADIAL O

NORMAL), que, en virtud del 2º principio de la dinámica será igual a:

𝐹𝑐 = 𝑚v2

R

DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR. FUERZA CENTRÍPETA (I)


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Toda fuerza que provoque la curvatura de un movimiento tiene naturaleza de fuerza

centrípeta. Así, por ejemplo:

DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR. FUERZA CENTRÍPETA (II)


La tensión de una cuerda es la que

provoca el giro de una piedra.

𝑇 = 𝐹𝐶

La atracción entre dos planeta es la

causa por la cual uno de ellos orbita

alrededor del otro.

𝐹𝐺 = 𝐹𝐶

La interacción eléctrica entre protón y

electrón es la causa por la que este gira

alrededor del núcleo.

𝐹𝐸 = 𝐹𝐶

La fuerza de rozamiento permite que un

coche pueda realizar un giro o tomar una

curva.

𝐹𝑟𝑜𝑧 = 𝐹𝐶

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La única fuerza que existe en el MCU es la fuerza centrípeta, que provoca la curvatura

del movimiento. Puesto que el móvil se desplaza con un valor de velocidad constante,

no existe aceleración tangencial (que mide los cambios en el módulo de la velocidad).

Por lo tanto,

𝐹𝑐 = 𝑚v2

R = m.𝜔2𝑅

, ya que, recordemos,

v = 𝜔. 𝑅

DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME


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Además de la fuerza centrípeta, que provoca la curvatura del movimiento, existirá una

aceleración tangencial, ya que sí variará el módulo de la velocidad.

Por lo tanto existirá una fuerza centrípeta:

𝐹𝑐 = 𝑚v2

R = m.𝜔2𝑅

Además de una fuerza tangencial:

𝐹𝑡𝑔 = 𝑚. 𝑎𝑡𝑔 = 𝑚.∆v∆𝑡

= m. 𝛼. 𝑅

DINÁMICA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE ACELERADO


Fuerzas

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