ESTATICA



“Es la parte de la Física que se ocupa del estudio de las condiciones que se deben cumplir para que los cuerpos estén en reposo”

FUERZAS

A lo largo de nuestra vida nos relacionamos con otros cuerpos ejerciendo fuerzas sobre ellos y viceversa, por ejemplo: levantar un lápiz, encender un fósforo, agitar el café, ascender a un vehículo, dar un puntapié a una pelota, clavar un clavo. En todos los casos se observan los efectos que producen las fuerzas, que son:
* cambio de velocidad (aceleración), que puede ser en módulo (rapidez), dirección o sentido.
* cambio de forma (deformación)

Siempre que se observe en un cuerpo un cambio en su velocidad o en su forma, existe por lo menos una fuerza causante del cambio.

Ejercicio:
a) Cuando un cuerpo se cae:
- ¿Qué fuerzas actúan sobre el cuerpo?
- ¿quién las ejerce?
- ¿Qué efecto se observa sobre el cuerpo?
b) Cuando un futbolista patea un penal:
- ¿qué fuerzas actúan sobre la pelota cuando está quieta en el suelo?
- ¿Qué fuerzas actúan sobre la pelota cuando el jugador la patea? ¿qué efectos se observan en ella?
- Qué fuerzas actúan sobre ella cuando va por el aire hacia el arco?
- Qué fuerzas actúan sobre la pelota cuando el arquero la ataja? ¿qué efectos se observan?
c) Indica el efecto que se observa:
1- En el colchón cuando alguien se sienta en él.
2- En un globo al inflarlo.
3- En un autito a fricción, al soltarlo
4- En un carrito al empujarlo
5- En un globo al soltarlo inflado, sin atarlo
6- En un resorte al comprimirlo

FUERZA: MAGNITUD VECTORIAL

La fuerza es una magnitud vectorial porque para especificarla completamente es necesario indicar además de su intensidad o módulo, su dirección y sentido.

• Intensidad o módulo de la fuerza (cuánta). Se expresa mediante un número y una unidad de medida. Por ejemplo 500 kgf, 80 N
• Dirección de la fuerza: (sobre qué recta). Indica si la fuerza se aplica en forma vertical, horizontal u oblicua. Por ejemplo si se aplica una fuerza tirando de una cuerda, la dirección de la fuerza está determinada por la cuerda.
• Sentido de una fuerza: (hacia dónde). Si la fuerza está aplicada verticalmente, es necesario indicar si es hacia arriba o hacia abajo.

Las fuerzas pueden representarse gráficamente mediante vectores que sintetizan en un elemento matemático todos los elementos de las magnitudes vectoriales, donde:
- El largo del vector representa la intensidad o módulo. (para lo cual se utiliza una escala)
- La recta que contiene al vector representa la dirección.
- La punta de flecha indica el sentido
(representación gráfica de vectores)





Las unidades de medida de las fuerzas
Una de las unidades empleadas para medir fuerzas es el kilogramo fuerza, cuyo símbolo es kgf o kg. (el vector significa fuerza y permite diferenciar este símbolo del que indica la unidad de masa, llamada kilogramo)
Un kilogramo fuerza es aproximadamente el peso de un litro de agua destilada a 4ºC.
En el SIMELA se ha adoptado como unidad de fuerza el Newton (N) que se define como la fuerza que
aplicada sobre una masa de 1 kg, le imprime una aceleración de 1 m/s2. (N= kg. m )
s2
Entre el kgf y el N existe la siguiente equivalencia:

1 kgf = 9,8 N 1 N = 0.102 kgf


INTERACCIONES
Las fuerzas suponen siempre la interacción (acción mutua) entre dos cuerpos. Cada vez que se detecta la existencia de una fuerza en un cuerpo, es posible encontrar otro cuerpo que recibe simultáneamente una fuerza sobre el primero. Para todos los tipos de interacciones, las fuerzas del par son de igual intensidad.

Principio de interacción o tercera Ley de Newton:

“Cuando un cuerpo ejerce una fuerza (acción) sobre otro, éste ejerce sobre el primero otra fuerza (reacción) de igual intensidad, y dirección pero de sentido contrario.”

Este par de fuerzas están aplicadas sobre cuerpos diferentes y se denominan pares de acción-reacción. El efecto observado en cada cuerpo es independiente y tiene que ver con sus características y con la relación con otros cuerpos. Fue Isaac Newton quien enunció este principio por primera vez.

Ejemplos:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
(grafica pares acción-reacción)








CLASIFICACION DE FUERZAS
Según la forma en que interactuan los cuerpos, las fuerzas que ejercen se clasifican en:
• Fuerzas de contacto: porque los cuerpos deben estar en contacto (tocándose) para recibir su efecto. (Normal, empuje, rozamiento, tensión, elástica)
• Fuerzas a distancia: porque los cuerpos no necesariamente deben estar en contacto para recibir su efecto. (Gravitatoria, magnética, eléctrica)




La siguiente página permite el aprendizaje autónomo ya que contienen conceptos básicos sobre fuerza en general y sobre  Fuerza de gravedad...






FUERZAS A DISTANCIA
Fuerza de gravedad


La fuerza de gravedad es una característica de la materia. Todo cuerpo material, cualquiera sea su tamaño, ejerce una fuerza de atracción gravitatoria sobre los cuerpo que están en su proximidad. En los objetos de poca masa como un lápiz, un libro o nosotros, la fuerza de gravedad que ejercemos no se percibe, pero sí es evidente en cuerpos de gran tamaño como La Tierra, la luna y otros cuerpos celestes.

La fuerza de gravedad que ejerce la Tierra es la responsable del peso de los cuerpos, por eso usualmente se la llama fuerza de gravedad o fuerza peso.


Si tenemos dos cuerpos de distinta masa y la distancia d1 es muuuuuchooooooo mayor que la distancia d2, (de manera que ésta es casi despreciable en comparación con d1), la fuerza de gravedad ejercida determina el peso del cuerpo y por ello se la conoce como fuerza peso o simplemente peso.
En general la fuerza peso la ejerce, La Tierra, o cualquier otro planeta, los satélites, estrellas, etc.
La intensidad de esta fuerza depende de la masa del astro y de la distancia del centro del astro al punto.



Fuerza Peso
La fuerza peso es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre todo cuerpo que esté dentro del CAMPO GRAVITATORIO TERRESTRE

La intensidad de la fuerza peso varía según la masa de los cuerpos y según la distancia que los separe del centro de la Tierra. (a mayor altitud, menor peso: porque al estar más alto está mas lejos del centro de la Tierra, y a mayor latitud, mayor peso: porque al estar más cerca de los polos está más cerca del centro de la Tierra). Esta fuerza nos mantiene apoyados sobre la superficie de la Tierra, tanto en el hemisferio norte como en el sur, porque nos atrae hacia el centro del planeta.
Podemos decir que en cada punto de la Tierra su dirección es vertical y su sentido hacia abajo..
Es una fuerza de la que ningún cuerpo puede librarse y que condiciona el mundo que nos rodea de tal manera que, en algunos casos , no es fácil advertirla. Nuestras actividades, las construcciones humanas, los deportes, los viajes espaciales buscan manipular o dominar esta fuerza con algún objetivo.

Esta fuerza de atracción entre los cuerpos fue descubierta por Isaac Newton, quien formuló la LEY DE GRAVITACION UNIVERSAL, que establece que “la fuerza de atracción entre dos cuerpos es mayor cuanto mayor sean las masas y menor la distancia que las separa.


Matemáticamente:

F = G m1 . m2                                    donde: F es la fuerza de atracción entre los cuerpos
            d2                                           G es la constante universal de gravitación G = 6,67 . 10-11 Nm2
                                                           m1 y m2 las masas de los cuerpos kg
                                                           d la distancia que separa los cuerpos.


Todos los cuerpos, los planetas, las estrellas y los llamados satélites naturales, como la Luna ejercen fuerza de atracción gravitatoria , la única diferencia está en el módulo (intensidad) que son capaces de ejercer. Por ejemplo si se pesa un cuerpo en la Luna, su peso será 6 veces menor que en la Tierra y en el planeta Júpiter 2,3 veces mayor, pero la masa del cuerpo se mantiene constante.





Fuerza eléctrica

Toda la materia está formada por átomos y éstos poseen un núcleo en el que se encuentran los protones (con carga positiva) y los neutrones (sin carga eléctrica) y girando alrededor en órbitas distintos niveles de energía están los electrones (con carga negativa)



Los átomos de todos los cuerpos en estado neutro poseen la misma cantidad de electrones que de protones. Los cuerpos pueden cargarse eléctricamente, con carga positiva si pierden electrones y con carga negativa si gana electrones.
La experiencia ha permitido establecer que cuando se acercan lo suficiente dos cuerpos que poseen carga eléctrica, entre ellos se producen fenómenos de repulsión si las cargas son de igual signo o de atracción si son de diferente signo.

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.




Dirección de la fuerza eléctrica
Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza coincide con la recta que une ambas cargas.
Sentido de la fuerza eléctrica
El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.


Coulomb dedujo que la fuerza con que se atraen o repelen dos cuerpos pequeños electrizados es mayor cuanto mayor sean las cargas y cuanto menor la distancia que las separa. Podemos así determinar la INTENSIDAD de la fuerza eléctrica.

Matemáticamente:

F = K q1 . q2 donde: F es la fuerza de atracción o repulsión eléctrica
d2 K es la constante eléctrica K = 9. 109 Nm2
q1 y q2 las cargas de los cuerpos kg2
d la distancia que separa los cuerpos.


Un cuerpo cargado eléctricamente ejerce fuerzas eléctricas sobre otro cuerpo que se halle dentro de su campo Eléctrico.



Problema: El átomo de hidrógeno es el que posee la estructura más simple. Su núcleo es un protón (masa 1,7 . 10-27 kg), alrededor del cual gira un solo electrón (masa 9,1 . 10-31 kg) a una distancia promedio de 5,3 . 10-11 m. Compara la fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional que se ejerce entre el protón y el electrón de dicho átomo.
Carga protón qp = 1,6 . 10-19 C
qe = -1,6 . 10-19 C







Fuerza magnética

Los imanes ejercen fuerzas de atracción sobre algunos metales, como el hierro, el níquel y el cobalto y sus compuestos. En los imanes las fuerzas magnéticas se experimentan en los extremos, denominados polos y están prácticamente ausentes en la parte media, llamada zona neutra.
Los polos de un imán reciben el nombre de norte y sur. Polos de igual nombre se repelen y de distinto nombre se atraen.
Las fuerzas magnéticas al igual que las gravitacionales y eléctricas, se manifiestan a cierta distancia y por eso los cuerpos se atraen o repelen sin necesidad de estar en contacto.
Alrededor de los imanes existe un espacio donde se manifiestan las fuerzas magnéticas, que se denomina CAMPO MAGNETICO.


FUERZAS DE CONTACTO
Fuerza Normal:
(Es la fuerza que sostiene) Surge cuando un cuerpo está apoyado en otro y es la fuerza que la superficie de apoyo ejerce sobre el cuerpo que se apoya. Su dirección es perpendicular (normal) a la superficie de contacto y el sentido va desde dicha superficie al cuerpo. Ejemplo: En el caso de un libro apoyado en una mesa, no se cae porque la reacción normal compensa el peso del cuerpo.
(hacer gráficos con sup. Horizontal, vertical y plano inclinado)










Fuerza Empuje:
Si se sumerge un cuerpo en un fluido (gas o líquido), recibe una fuerza llamada empuje. Esta fuerza puede considerase vertical, hacia arriba y con su módulo igual al peso del volumen del líquido desalojado. (depende del tipo de fluido y del volumen sumergido del cuerpo)
El empuje no siempre es suficiente para compensar el peso del cuerpo, por eso una moneda se hunde (mayor peso que el empuje) y un barco no (el empuje es igual al peso).
Ejemplo: un globo aerostático se puede mantener en equilibrio, sumergido en el aire porque existe una fuerza que compensa su peso, ésta fuerza es el empuje y surge del contacto con el aire que lo rodea.
(graficar fuerza empuje sobre distintos cuerpos)











Fuerza Tensión:
Es la fuerza que se realiza a través de una soga, hilo o cable. Sólo existe mientras la soga está tensa, y por eso sirve para ejercer tracción. (tirar)




Fuerza de rozamiento:
Las fuerzas de rozamiento son fuerzas de contacto que surgen cuando un cuerpo se desliza o intenta deslizarse sobre otro o se mueve a través de un medio viscoso como el aire o el agua.
Se clasifica en: fuerza de rozamiento por deslizamiento si se mueve, y fuerza de rozamiento estático, si intenta moverse.
Aunque las superficies en contacto estén muy pulidas, microscópicamente son rugosas y estas irregularidades dan origen a las fuerzas de rozamiento, además de generarse calor entre las superficies involucradas.
Estas fuerzas de rozamiento se pueden acentuar o atenuar según sus efectos resulten beneficiosos o perjudiciales.
Es beneficiosa porque nos permite caminar, mantener en pie las casas, rodar las pelotas, impide que se salgan los clavos, se la utiliza en los frenos, embragues, cintas transportadoras, guantes de trabajo, etc. Es perjudicial porque genera calor que no es conveniente en las piezas de máquinas, herramientas o motores porque aumenta el esfuerzo y produce desgaste, por ello se utilizan aceites lubricantes para disminuir su efecto, o rulemanes (las fuerzas de rozamiento por deslizamiento son mayores que las fuerzas por rodamiento)
La dirección de esta fuerza es paralela a la superficie y su sentido opuesto a aquel en el que el cuerpo se deslizaría. Su valor depende entre otros factores del tipo de superficie o rugosidad de las superficies de contacto.
¿Por qué avanzamos cuando caminamos?
(graficar fuerzas de rozamiento)










Fuerza elástica:
Cuando comprimimos un resorte con las manos, aplicamos una fuerza que produce el desplazamiento hacia adentro, mientras que el resorte hace una fuerza hacia fuera.
Cuando estiramos un resorte, la fuerza de nuestras manos incrementa la longitud, mientras que el resorte aplica una fuerza hacia adentro, en sentido contrario.
En ambos casos cuando se deja libre el resorte, éste recupera su longitud original
De modo semejante al resorte se comportan todos los todos los cuerpos elásticos, que son sólidos, que se pueden deformar por la acción por la acción de una fuerza exterior, pero apenas cesa su acción, recuperan su forma y tamaño original. (cámara de bicicleta, globo, colchón, etc.)
La fuerza que se opone a la deformación de los cuerpos elásticos, ya sea la compresión o el estiramiento, y que luego hace que recupere sus dimensiones originales, se denomina, fuerza elástica.
Roberto Hooke, enunció la ley que lleva su nombre que establece que a mayor fuerza aplicada mayor es la deformación producida.

F = K X

donde: F es la fuerza deformadora aplicada
K es la constante elástica
X la deformación que experimenta el cuerpo.

Si la fuerza deformadora sobrepasa un cierto valor, el cuerpo no vuelve a su tamaño y forma original después de suprimir esa fuerza, entonces se dice que ha adquirido una deformación permanente, que en algunos casos extremos puede llegar a la rotura del material.






Dinamómetro

Para medir la intensidad de una fuerza se utiliza un instrumento denominado Dinamómetro, cuyo nombre significa medidor de fuerzas. Este instrumento está basado en la deformación que experimenta un cuerpo elástico al ser sometido a la acción de una fuerza.





Diagrama de cuerpo libre:

Un cuerpo puede interactuar con uno o más cuerpos. Para estudiar todas las interacciones con el resto del Universo, se lo aísla de su entorno. Se lo dibuja solo y sobre él se dibujan todas las fuerzas que representan sus distintas interacciones con los demás cuerpos. Se realiza así lo que se llama Diagrama de Cuerpo Libre. (DCL)