Diagramas de fuerzas, dinámica y gravitación
4.º de ESORuta de edumaterial
Qué vas a aprender
- Representar fuerzas como vectores y calcular una resultante por componentes.
- Aplicar la segunda ley de Newton a cuerpos con peso, normal, rozamiento y fuerza aplicada.
- Interpretar la dependencia de la gravitación universal con las masas y la distancia.
Antes de empezar
- Aplicar las leyes de Newton en casos sencillos.
- Operar con vectores en una dimensión.
- Usar cuadrados y notación científica.
Primero el cuerpo, después las fuerzas
Un diagrama de cuerpo libre aísla el objeto estudiado y dibuja solo las fuerzas que otros cuerpos ejercen sobre él. No se dibujan velocidad ni aceleración como si fueran fuerzas.
Cada flecha necesita dirección, sentido y punto de aplicación conceptual. La suma vectorial, no una fuerza aislada, determina la aceleración.
Segunda ley
- ΣF = ma
- La fuerza neta y la aceleración tienen la misma dirección. Si la resultante es cero, la velocidad permanece constante; eso incluye tanto el reposo como un movimiento rectilíneo uniforme.
Peso, normal, tensión, rozamiento y empuje
El peso es la atracción gravitatoria; la normal es la fuerza perpendicular de contacto; la tensión actúa a lo largo de una cuerda; el rozamiento se opone al deslizamiento relativo o a su tendencia.
En un plano horizontal sin aceleración vertical, N puede igualar a mg. No es una identidad universal: una fuerza inclinada, una aceleración vertical o un plano inclinado cambian la normal.
Rozamiento de deslizamiento
- Fr = μN
- Este modelo escolar aproxima la magnitud del rozamiento cinético mediante un coeficiente adimensional. La dirección se opone al movimiento relativo entre superficies.
Resolver una dinámica
- Aísla el cuerpo y dibuja todas las fuerzas.
- Elige ejes convenientes y descompón solo cuando sea necesario.
- Suma componentes con signo en cada eje.
- Aplica ΣFx = max y ΣFy = may.
- Comprueba si las hipótesis sobre normal y rozamiento son compatibles con el movimiento.
Gravitación universal
- F = Gm₁m₂/r²
- Dos masas se atraen a lo largo de la línea que une sus centros. La distancia r es entre centros; duplicarla reduce la fuerza a la cuarta parte. Las fuerzas mutuas tienen igual magnitud y sentidos opuestos, pero actúan sobre cuerpos distintos.
Caja arrastrada en horizontal
m = 10 kg, F = 35 N, μ = 0,20 y g = 9,8 m/s².
- N = mg = 98 N.
- Fr = 0,20 × 98 = 19,6 N.
- Fnet = 35 − 19,6 = 15,4 N.
- a = 15,4/10.
a = 1,54 m/s² hacia la fuerza aplicada.
Compruébalo ahora
Sobre un cuerpo de 5,0 kg actúan 20 N a la derecha y 5,0 N a la izquierda. Calcula resultante y aceleración.
Ver solución explicada
Respuesta: 15 N a la derecha; 3,0 m/s² a la derecha.
Con derecha positiva, ΣF = 20 − 5,0 = 15 N; a = 15/5,0 = 3,0 m/s².
Una caja de 2,0 kg se arrastra horizontalmente con 10,0 N. Si μ = 0,10 y g = 9,8 m/s², calcula normal, rozamiento y aceleración.
Ver solución explicada
Respuesta: N = 19,6 N; Fr = 1,96 N; a = 4,02 m/s².
N = mg = 19,6 N; Fr = μN = 1,96 N; Fnet = 10,0 − 1,96 = 8,04 N y a = 8,04/2,0 = 4,02 m/s².
Dos masas conservan sus valores, pero la distancia entre sus centros se triplica. ¿Cómo cambia la fuerza gravitatoria?
Ver solución explicada
Respuesta: Se reduce a 1/9 de la inicial.
La fuerza es inversamente proporcional a r²; al sustituir r por 3r aparece un factor 1/(3²) = 1/9.
Alineación curricular y fuentes
- Física y Química · cuarto curso · bloque D: carácter vectorial y composición de fuerzas, fuerzas del entorno y ley de gravitación universal. · Real Decreto 217/2022, currículo básico de ESO
Cuando lo tengas claro
Practicar esto: Resolver un problema de dinámica con rozamientoPracticar esto: Aplicar la ley de gravitación universalMovimiento rectilíneo uniforme y aceleradoTrabajo, potencia, energía mecánica y calorPresión, principio de Pascal y empuje