La fuerza

La fuerza

La fuerza es toda acción capaz de cambiar el estado de movimiento o de reposo de un objeto o de producir deformaciones físicas en el. Así una fuerza que actúa sobre un cuerpo puede generar tres efectos:

• Puede moverlo cuando esta en reposo. Así, para que una moto que esta quieta comience a moverse, hay que empujarla o encender su motor y acelerarla; es decir, hay que aplicarle una fuerza.
• Puede detenerlo si se encuentra en movimiento. Por ejemplo, cuando un jugador  o una jugadora de fútbol detiene con sus pies una pelota que avanza sobre la cancha, ejerce una fuerza sobre la pelota.
• Puede cambiarle la forma. Al apretar una barra de plastilina con las manos, se ejerce sobre ella una fuerza que modifica la forma que tenia antes de apretarla.

Elementos de una Fuerza

La mayoría de las fuerzas tienen cuatro elementos característicos:

• Dirección: indica hacia donde se dirige la fuerza. Se puede expresar como vertical u horizontal o con los puntos cardinales.
• Punto de aplicación: punto sobre el cual se ejerce la fuerza.
• Sentido: orientación de la fuerza, si va hacia arriba, abajo, derecha o la izquierda.
• Magnitud intensidad o modulo: cantidad de fuerza que se aplica. Se representa con la longitud de la flecha.

Unidades de Fuerzas

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la fuerza se mide en una unidad llamada newton (N). Un newton es la fuerza que da una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s2.Equivale, aproximadamente, a la fuerza  que hay que hacr para levantar una altura de 1 metro. Existen otras unidades con las cuales se puede expresar una fuerza, tales como el kilogramo-fuerza (kg-f) o la dina.

Las relaciones de equivalencia entre las distintas unidades son :

• 1 newton (N). = o,102 kg-f = 100 000 dinas.
• 1 kg-f = 9,8 newtons = 980 000 dinas.

Clases de Fuerzas

Según el modo como se ejercen las fuerzas, se pueden definir dos tipos:

• A distancia. El cuerpo que ejerce la fuerza no esta en contacto directo con el cuerpo que la recibe. Por ejemplo, un imán que atrae una fuerza a distancia sobre ella , ya que la atrae sin tocarla. La fuerza de gravedad de la Tierra, también actúa a distancia.

• De contacto. El cuerpo que ejerce la fuerza esta en contacto con el que la recibe. Por ejemplo, la presión que ejerce una persona sobre el teclado de una computadora o el de un teléfono celular, y también un jugador de fútbol pateando la pelota.

Al ejercer una fuerza de  contacto sobre un cuerpo, se puede evidenciar, según el caso:

1. Normal. La ejerce cualquier superficie sobre un cuerpo apoyado en ella. Siempre es perpendicular y en sentido contrario a la fuerza aplicada.                                                                
2. De tensión. Se transmite por medio de una cuerda, como resistencia a la fuerza aplicada. La dirección de la cuerda determina la dirección de la tensión. Esta fuerza hala o le ofrece resistencia al cuerpo, pero no lo empuja.                                                                  
3. De rozamiento. Se opone al movimiento e deslizamiento entre dos superficies en contacto. Tiene dirección y sentido contrario al desplazamiento. Depende de la superficie: mientras mas lisa y pulida este, mejor sera la fricción.                                         

Fuerzas que actúan entre partículas:

Las partículas que forman los materiales están sometidas a fuerzas de naturaleza eléctrica, las cuales tienden a unirlas o a separarlas. 

Las fuerzas que unen las partículas se conocen como fuerzas de atracción, y las que las separan son fuerzas de repulsión.

La interacción de estas fuerzas determina las características de los materiales en su estado natural o en sus cambios de fase:

• En los sólidos. Las partículas se encuentran muy cerca unas de otras y en posiciones fijas, es decir, con un orden determinado.La fuerza de atracción es mas fuerte que la de repulsión; las partículas vibran, pero no se mueven libremente. Por ello los sólidos tienen forma fija y volumen determinado.
• En los líquidos. Las partículas se encuentran cerca unas de otras pero no están fuertemente unidas entre si, por lo que no presentan una posición u orden. En ellos, la fuerza de atracción y la de repulsión están equilibradas, por lo que las partículas se mueven con mayor libertad que en los sólidos. Por esta razón, los líquidos son fluidos que tienen un volumen determinado, aunque no tienen forma fija.
• En los gases. Las partículas se encuentran muy separadas unas de otras,. En ellos, la fuerza de atracción es menor que la de repulsión, por lo que las  partículas se mueven con gran libertad. Por esta razón, los gases no tienen ni forma ni volumen determinado.

Fuerza de cohesión:

Es la fuerza de atracción que existe entre las partículas  del material que compone un objeto. la fuerza de cohesión se expresa fuertemente en los sólidos, con menor intensidad en los líquidos  y es muy débil en los gases.

Las fuerzas de cohesión pueden ser vencidas con la aplicación de otra fuerza, como cuando se aplica presión para rasgar un papel, fragmentar una roca o dividir un trozo de madera. Estas fuerzas no tienen que ser necesariamente, presiones aplicadas por esfuerzo humano o de una maquina. Por ejemplo, en el caso de las rocas, pueden ser fragmentadas por presión de la corteza terrestre.

Fuerza de adhesión:

Es la fuerza de atracción entre las partículas de materiales que componen objetos diferentes. La fuerza de adhesión se expresa con intensidad cuando la distancia que separa las partículas de los objetos en contacto es muy pequeña. De igual modo, mientras mas puntos de contacto existan entre los objetos, mayor sera la intensidad de la fuerza de adhesión entre ellos. Los objetos de superficie pulida, por ejemplo, dos laminas de vidrio tienen muchos puntos de contacto, por esto, la fuerza de adhesión es mas intensa entre ellos. 

Tensión superficial

Es una fuerza de resistencia que se genera en la superficie de un liquido al contacto con el aire, por la fuerte unión entre las moléculas superficiales.

En el ejemplo de arriba podemos observar como la tensión superficial del agua impide que el mosquito se hunda.

La tensión superficial tiene algunas propiedades asociadas, que se pueden explicar tomando como referencia el agua:

• Resistencia al peso de los cuerpos y a la presión. La tensión superficial de una sustancia resiste pesos y presiones ligeras, pero esta resistencia puede vencerse. Así, insectos pequeños como los mosquitos pueden caminar sobre la superficie del agua, porque su peso no vence las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua. También, si una aguja pequeña y delgada es colocada con mucho cuidado (presión suave) sobre la superficie del agua, puede flotar; en cambio, si la superficie del agua se agita (presión fuerte),se rompe la tensión superficial y la aguja se hunde.

• Disminución con la temperatura. Al aumentar la temperatura de un material, el movimiento de sus partículas es mayor y la cohesión entre ellas disminuye, lo que resulta en una reducción de la tensión. Por ello se suele recomendar que se lave la ropa con agua tibia, ya que el agua reduce u tensión superficial y penetra mejor las fibras.

• Disminución al contacto  con algunos compuestos químicos. Los jabones y detergentes tienen ingredientes muy afines al agua, que se integran a sus moléculas y rompen la tensión superficial. Así, el agua jabonosa entra con mas facilidad  en los poros de las superficies sucias, permitiendo una limpieza mas efectiva.

• Mojabilidad. Es la capacidad de una sustancia liquida de unirse a una superficie solida y depende de la tensión superficial: a mayor tensión, menor mojabilidad. Por ello, unas gotas de agua en contacto con alguna tela suelen no penetrar el tejido (no mojarlo).

Las maquinas simples

Las maquinas simples

Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables.Es decir, realizar un mismo trabajo con una fuerza aplicada menor, obteniéndose una ventaja mecánica.Esta ventaja mecánica comporta tener que aplicar la fuerza a lo largo de un recorrido (lineal o angular) mayor. Además, hay que aumentar la velocidad para mantener la misma potencia.

Las primeras máquinas eran sencillos sistemas que facilitaron a hombres y mujeres sus labores, hoy son conocidas como máquinas simples.

La rueda, la palanca, la polea simple, el tornillo, el plano inclinado, el polipasto, el torno y la cuña son algunas máquinas simples. La palanca y el plano inclinado son las más simples de todas ellas.

En general, las maquinas simples son usadas para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo, conveniente y seguro.

Tipos de máquinas simples:

Palanca:

Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro.

La fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia.

Polea:

La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza, aplicando una menor, o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. 

Si consta de más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos a los edificios o sacar agua de los pozos.Las poleas pueden presentarse de varias maneras:

Polea fija: solo cambia la dirección de la fuerza. La polea está fija a una superficie.

Polea móvil: se mueve junto con el peso, disminuye el esfuerzo al 50%.

Polea pasto, polipasto o aparejo: Formado por tres o más poleas en línea o en paralelo, se logra una disminución del esfuerzo igual al número de poleas que se usan.

Polipasto:

Se llama polipasto a un mecanismo que se utiliza para levantar o mover una carga aplicando un esfuerzo mucho menor que el peso que hay que levantar.

Estos mecanismos se utilizan mucho en los talleres o industrias que manipulan piezas muy voluminosas y pesadas porque facilitan la manipulación, elevación y colocación de estas piezas pesadas, así como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan.

Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por raíles colocados en los techos de las naves industriales.

Los polipastos tienen varios tamaños o potencia de elevación, los pequeños se manipulan a mano y los más grandes llevan incorporados un motor eléctrico.

Rueda:

Máquina simple más importante que se conoce, no se sabe quién y cuándo la descubrió o inventó; sin embargo, desde que el hombre utilizó la rueda la tecnología avanzó rápidamente, podemos decir que a nuestro alrededor siempre está presente algún objeto a situación relacionado con la rueda, la rueda es circular.

Plano inclinado:

El plano inclinado permite levantar una carga mediante una rampa o pendiente. Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes: la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable.

Al igual que las demás máquinas simples cambian fuerza por distancias. El plano inclinado se descubre por accidente ya que se encuentra en forma natural, el plano inclinado es básicamente un triángulo donde su utiliza la hipotenusa, la función principal del plano inclinado es levantar objetos por encima de la Horizontal.

El plano inclinado puede presentarse o expresar también como cuña o tornillo. 

Cuña:

Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie.

Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, desarmado, picahielo, cuchillo.

Tornillo:

Un tornillo es esencialmente un plano inclinado largo, enrollado alrededor de un eje, de modo que su ventaja mecánica se consigue de la misma forma que en el plano inclinado.

Cuando se gira una vuelta un tornillo, avanza la distancia que hay entre dos filos de rosca adyacentes. Esta distancia se llama normalmente "paso" de rosca P. Según se dibuja en la ilustración, también se incluye una palanca. Analizado desde el punto de vista del trabajo, la palanca se mueve a lo largo de una circunferencia 2πL/P.

Aquí la ventaja mecánica ideal tiene poco significado, puesto que normalmente hay una gran cantidad de fricción. Sin embargo, el tornillo es de una gran utilidad para el levantamiento de cargas pesadas y para el uso en tornillos de apriete, ya que puede ejercer una gran fuerza que mantenga juntos los objetos.

Nivel o torno:

Máquina simple constituida por un cilindro en donde enredar una cuerda o cadena, se hace girar por medio de una barra rígida doblada en dos ángulos rectos opuestos. Como todas las máquinas simples el torno cambia fuerza por distancia, se hará un menor esfuerzo entre más grande sea el diámetro.

Ejemplos: grúa, fonógrafo, pedal de bicicleta, perilla, arranque de un auto antiguo, grúa, ancla, taladro manual.