Concepto de fuerza, elementos, unidades y clases

El concepto de fuerza es uno de los más importantes de la física. En este artículo, además del concepto de fuerza, se definirán los elementos de una fuerza, las unidades de fuerza y las clases de fuerza. Además de una breve introducción a la composición y sumatoria de fuerzas.

Concepto de fuerza

Una fuerza es toda acción capaz de:

  • Cambiar el estado de reposo de un cuerpo. Por ejemplo, un vehículo varado en la vía, requiere de la fuerza aplicada por una o más personas, para moverlo de allí.
  • Cambiar el estado de movimiento de un cuerpo. Por ejemplo, un balón pateado hacia la portería, en un juego de fútbol, requiere de la fuerza aplicada por el portero, para detenerlo o desviarlo.
  • Producir deformaciones en un cuerpo. Por ejemplo en la colisión de un vehículo contra una pared, tanto el vehículo como la pared, pueden sufrir deformaciones. Esto es consecuencia de las fuerzas.

Elementos de una fuerza.

Sobre un cuerpo se pueden ejercer diferentes fuerzas y cada una de ellas puede producir un efecto distinto sobre él. Piensa, por ejemplo, en lo que ocurre cuando empujas una mesa y en lo que ocurre cuando la golpeas. Aunque en ambos casos aplicas una fuerza sobre ella, el resultado de tu fuerza es diferente. Por esto, para distinguir una fuerza de otra, es necesario conocer los factores que las determinan.

El concepto de fuerza requiere distinguir los siguientes elementos: la dirección, el sentido, la intensidad y el punto de aplicación.

  • La dirección de una fuerza indica la forma como se ejerce esa fuerza (horizontal, vertical, oblicua.)
  • El sentido de una fuerza indica el lugar hacia el cual se ejerce esa fuerza (hacia arriba, hacia abajo, hacia la izquierda…)
  • La intensidad de una fuerza es el valor de esa fuerza expresada en Newton. Matemáticamente, la intensidad de una fuerza es el producto de la masa por la aceleración (f = m x a). Las fuerzas se miden con un aparato llamado dinamómetro
  • El punto de aplicación de una fuerza es la parte del cuerpo sobre la cual se ejerce esa fuerza (en su parte superior, en su parte inferior, en uno de sus lados, etc.)
    concepto de fuerza

    Figura 1. Elementos de una fuerza

Unidades de fuerza

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la fuerza se mide en una unidad llamada newton. El símbolo con que se designa esta unidad es N. En honor a Isaac Newton

Un newton es la cantidad de fuerza que al actuar sobre una masa de un kilogramo, le imprime una aceleración de un metro sobre segundo cuadrado.

Otra unidad de fuerza es el kilogramo fuerza (Kgf), definido como el peso de un kilogramo prototipo a nivel del mar. Un kilogramo fuerza equivale a 9.8 newton.

Clases de fuerzas

Las fuerzas pueden ser de contacto o a distancia; y pueden desplazarse con los cuerpos o no.

  • Las fuerzas de contacto son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza está en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica dicha fuerza. Por ejemplo, el jugador que golpea con su cabeza un balón, ejerce con su cabeza una fuerza de contacto sobre el balón.
  • Las fuerzas a distancia son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza no está en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica dicha fuerza. La fuerza de gravedad y las fuerzas electromagnéticas, son de este tipo. Por ejemplo, un imán que atrae unas puntillas ejerce una fuerza a distancia sobre éstas, ya que las atrae sin tocarlas.

La fuerza de gravedad, es la fuerza que determina la atracción entre los cuerpos (por ejemplo, la atracción que la Tierra ejerce sobre la Luna y la fuerza con que se atraen los planetas), también es una fuerza que actúa a distancia. A esta fuerza se debe el funcionamiento y la manera como está organizado el universo.

  • Las fuerzas que se desplazan mientras actúan sobre los cuerpos. Por ejemplo, la fuerza que ejerce un caballo que hala de un carro.
  • Las fuerzas que no se desplazan mientras actúan sobre los cuerpos. Por ejemplo, la fuerza qué ejerce una columna que sostiene un techo.

El peso es una fuerza

El efecto que tiene la gravedad sobre los cuerpos se denomina peso.

El peso no es una propiedad de los cuerpos, sino que es el resultado de la interacción de éstos con la Tierra. En otras palabras, el peso es una fuerza. Dicha fuerza se representa como una flecha que siempre se dirige hacia abajo, hacia el centro de la Tierra. El peso (w) es el producto de la masa por la aceleración de gravedad. (w = m*g). En la Tierra, el valor de la aceleración de gravedad es 9.8m/s2.

Si trasladamos un cuerpo a otro planeta, distinto a la Tierra, aunque su masa se mantenga siempre igual, su peso se modificará de acuerdo con la gravedad que este planeta ejerza sobre él. Si, por el contrario, el cuerpo se encuentra en el espacio, libre del efecto de la fuerza de gravedad de cualquier planeta, aunque su masa se mantenga, el valor de su peso será cero.

Composición y suma de fuerzas

Normalmente, sobre un cuerpo actúan dos o más fuerzas al mismo tiempo. La acción combinada de estas fuerzas es equivalente a una sola fuerza. En estos casos se dice que se da una composición de fuerzas.

Fuerzas con igual dirección y sentido

Si ejercemos dos o más fuerzas sobre un mismo punto de aplicación con igual dirección e igual sentido, la fuerza resultante (R), tiene el mismo sentido de las fuerzas aplicadas y su intensidad es la suma de las intensidades de las mismas.

Fuerzas con igual dirección y sentido opuesto

Si ejercemos dos fuerzas sobre un mismo punto de aplicación, con igual dirección pero con sentido opuesto, la fuerza resultante R tiene el sentido de la fuerza mayor y su intensidad resulta ser la resta de ambas intensidades.

concepto de fuerza

Figura 2.

Según la figura 2, las fuerzas F1, F2 y F4 tienen igual dirección (horizontal) y sentido (hacia la derecha). Por lo tanto, el efecto de estas tres fuerzas será equivalente a una fuerza resultante (R), que es la suma de las tres anteriores.

La fuerza F3 tiene igual dirección (horizontal) pero sentido opuesto (hacia la izquierda). Entonces, esta fuerza se restará. La fuerza resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el coche es:

La figura 3, muestra otro ejemplo de este tipo de composición de fuerzas.

concepto de fuerza

Figura 3.

Fuerzas con diferente dirección y sentido

La sumatoria o composición de fuerzas con diferente dirección y sentido se realiza por diferentes métodos.

Veamos el siguiente ejemplo: ¿Hacia dónde se moverá una barca de la figura 4, que por un lado, es arrastrada por la corriente del río (fuerza B) y por otro, intenta ser conducida por la fuerza de los remos hacia la orilla (fuerza A)?

concepto de fuerza

Figura 4.

En este caso el movimiento de la barca estará determinado por la composición de las dos fuerzas ejercidas sobre ella. La fuerza R, resultante de las fuerzas aplicadas, tiene el mismo punto de aplicación de las dos fuerzas iniciales y su representación gráfica, explicada en la figura, sugiere que para hallar dicha resultante, se completa un paralelogramo. Esto se hace trazando una línea punteada para lela a cada una de la fuerzas y trazando la resultante, desde el origen (o) de las fuerzas hasta la intersección de las líneas punteadas.

Dentro del concepto de fuerza, es importante conocer los métodos de composición y sumatoria.

Taller de lectura

  1. Escriba los tres aspectos que permiten definir el concepto de fuerza.
  2. Escriba las definiciones de los 4 elementos de una fuerza.
  3. ¿Cómo se llama el aparato usado para medir fuerzas?
  4. Copie la figura 1.
  5. ¿Cuál es la unidad de fuerza en el sistema internacional?
  6. Escriba las definiciones de Newton y kilogramo fuerza.
  7. Defina fuerzas de contacto y fuerzas a distancia y dé ejemplos de cada una.
  8. ¿Qué es la gravedad?
  9. ¿Cuál es el valor de la aceleración de gravedad en la tierra?
  10. ¿Cuáles son las fuerzas que se desplazan y cuáles, las que no se desplazan? Dé un ejemplo de cada una.
  11. ¿A qué se denomina peso?
  12. ¿Qué sucede con la masa y el peso si trasladamos un cuerpo a otro planeta, distinto a la Tierra?
  13. ¿Cómo se suman fuerzas de igual dirección y sentido?
  14. ¿De qué manera, se suman fuerzas de igual dirección y sentido opuesto?
  15. Copie la figura 3.
  16. Haga un resumen de la manera como se suman fuerzas con diferente dirección y sentido.
  17. Copie la figura 4.