Entendiendo la Fuerza: Conceptos Clave y Aplicaciones Prácticas

¿Qué es la Fuerza?

La fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación en él.

Tipos de Materiales y su Comportamiento ante la Fuerza

• Rígidos: No modifican su forma cuando actúa sobre ellos una fuerza.
• Elásticos: Los materiales recuperan su forma original cuando deja de actuar la fuerza que los deforma.
• Plásticos: Al cesar la fuerza que los deforma, los materiales no recuperan su forma primitiva y quedan deformados permanentemente.

Conceptos Clave Relacionados con la Elasticidad

• Elasticidad: Es una propiedad general de la materia que permite a los cuerpos deformarse cuando están sometidos a una fuerza y recuperar su forma inicial cuando la causa de la deformación desaparece.
• Límite de Elasticidad: Muchos cuerpos son elásticos si la fuerza que los deforma no sobrepasa un cierto valor que depende de cada cuerpo y de cada sustancia.
• Límite de Rotura: Es la fuerza máxima que puede soportar un cuerpo sin romperse.
• Plasticidad: Es la propiedad por la que determinados cuerpos adquieren deformaciones permanentes cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deforma.

Elementos de una Fuerza

• Intensidad o Módulo: Valor numérico de la fuerza expresado en newtons.
• Dirección: Viene dada por la recta que soporta al vector.
• Sentido: Indicado por la punta de la flecha del vector.
• Punto de Aplicación: Es el lugar del cuerpo donde se aplica la fuerza.

Fuerza Resultante y Composición de Fuerzas

• Fuerza Resultante: Es aquella que puede reemplazar a todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo produciendo el mismo efecto.
• Composición de Fuerzas: Es la operación que consiste en determinar la fuerza resultante de la acción de las otras.

Inercia e Interacción

• Inercia: Es la tendencia de un cuerpo a mantener su estado de reposo o movimiento.
• Interacción: Es cualquier mecanismo por el que dos o más cuerpos modifican su estado de reposo o movimiento. La magnitud que mide cuantitativamente la intensidad de una interacción es la fuerza.
• Fuerza de Rozamiento: Es aquella fuerza opuesta al movimiento que se manifiesta en la superficie de contacto de dos cuerpos siempre que uno de ellos se mueva o tienda a moverse sobre el otro.

Ejercicios Resueltos

1. Calcula el resultante de dos fuerzas, una de 8N y otra de 6N, aplicadas a este cuerpo:

   0--->---> R = 8N + 6N = 14N

2. Un muelle está suspendido de uno de sus extremos. Se cuelga del otro extremo un peso de 30N y se observa un alargamiento de 10cm. ¿Cuál es la constante de deformación del muelle?

   Datos: F = 30N, ΔL = 10cm

   k = F/ΔL = 30N / 10cm = 30N / 0.1m = 300 N/m

3. Un muelle se ha alargado 4cm al aplicarse una fuerza determinada. ¿Cuánto se deformará si se le aplica una fuerza tres veces mayor?

   Datos: ΔL₁ = 4cm, F₂ = 3F₁

   F₂/F₁ = kΔL₂/kΔL₁ = 3F₁/F₁ = 3

4. La ley de Hooke para un muelle es F = 200x(x - 0.2) en el SI.

   1. ¿Qué significan los diferentes números que aparecen en la expresión?

      200: constante de elasticidad del muelle y 0.2: longitud inicial

   2. Calcular cuánto se estirará y qué longitud final tendrá el muelle al tirar de él con una fuerza de 50N.

      F = kxΔL => 50N = 200 N/m * (x - 0.2)

      50 = 200x - 40 => x = 0.45m

      ΔL = 0.45m - 0.2m = 0.25m

   3. Calcular qué fuerza debemos ejercer para que el muelle se deforme 15cm.

      F = kxΔL => F = 200 N/m * 0.15m = 30N

5. ¿Qué velocidad adquiere el cuerpo de la actividad anterior si la fuerza actúa durante 2s? ¿Con qué velocidad continúa desplazándose el cuerpo cuando la fuerza ha dejado de actuar?

   M.R.U.A. Datos: m = 20kg, a = 2m/s², F = 40N, t = 2s

   v_f = v_0 + a*t => v_f = 0 + 2m/s² * 2s = 4m/s

6. Calcula los componentes Fx y Fy de una fuerza de 12N que forma un ángulo de 20° con el eje de la x.

   sen(20°) = Fy / 12N => Fy = 4.10N

   cos(20°) = Fx / 12N => Fx = 11.28N

7. Al aplicar a un cuerpo de 5kg de masa una fuerza, su velocidad pasa de 5 a 20m/s en 3s.

   1. ¿Cuánto vale la fuerza?
   2. ¿Qué distancia recorre?

   a) F = m*a => a = (20m/s - 5m/s) / 3s = 5m/s² => F = 5kg * 5m/s² = 25N

   b) ΔS = v_0*t + 0.5*a*t² => ΔS = 5m/s * 3s + 0.5 * 5m/s² * (3s)² = 15m + 22.5m = 37.5m