Fuerza Peso y Fuerza Normal

Fuerzas que actúan verticalmente

¿Cómo reconocer las fuerzas que no se encuentran explícitas en el ejercicio, que aún no tienen una flecha que indique su existencia? Aquí hay dos ejemplos de fuerzas a tener en cuenta al analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo:

• Peso \((\vec{P})\): Es la fuerza de atracción de la gravedad, que es ejercida por la Tierra (o el planeta en el que estés jajaja), una fuerza ya conocida por todos ¿verdad? Su fórmula es

\[\vec{P}=m \vec{g}\]

Un cuerpo SIEMPRE está bajo el efecto de la fuerza peso, la única excepción es si la declaración te dice que la masa de algún cuerpo es insignificante. La fuerza peso, así como la gravedad, es para abajo

• Normal \((\overrightarrow{\mathrm{N}})\): Es la fuerza de reacción de una superficie. No tiene fórmula, pero estará presente cuando el cuerpo esté en contacto con algunos cosa, ya sea otro cuerpo o una superficie. Es importante recordar que siempre es perpendicular a la superficie en la que está.

Cuando ambas están en equilibrio

Como ya hemos visto, el análisis de fuerza se puede dividir en dos ejes, \(x\) e \(y\). Con esto, los dos análisis se vuelven independientes. ¿No entendiste cómo esto implica en el equilibrio de fuerzas? Vamos a entenderlo:

Si tenemos un bloque, en una superficie horizontal, bajo la acción de una fuerza horizontal, como en el diagrama a continuación.

En esta situación, se puede ver que si la superficie no tiene fricción, el bloque solo se moverá en la dirección del eje \(x\), lo que resulta en:

\[\overrightarrow{a_{y}}=0\]

Haciendo el diagrama de cuerpo libre, tenemos:

Y a continuación, utilizando la segunda ley de Newton, recordando de elegir una dirección para que sea la positiva:

\[\sum \text { Fuerzas en } y=m a_{y} \rightarrow N-P=m \cdot 0\]

En este caso, el sentido hacia arriba se eligió como positivo. Por último:

\[P=N\]

Cuando ambos no están en equilibrio

Imaginemos que tenemos un bloque en un ascensor, y que el ascensor está descendiendo con aceleración \(a\), menos que la aceleración de la gravedad.

Parece que hay algo que impide que el bloque caiga en caída libre, ¿verdad? Y hay! La fuerza normal hace este trabajo. Vea el diagrama:

Haciendo el mismo análisis de cuerpo libre del caso de equilibrio, pero sabiendo que:

\[\overrightarrow{a_{y}}=-a \vec{j}\]

Y usando la segunda ley de Newton, podemos conocer el valor de la fuerza normal, eligiendo el sentido hacia arriba como positivo:

\[\sum \text {Fuerzas en} y=m a_{y} \rightarrow N-P=-m a\]

Sustituyendo el valor del peso, tenemos:

\[N=m(g-a)\]

Peso + Normal + Fuerza Cualquiera

Hay una situación más que vale la pena señalar aquí: es cuando el ejercicio cita algo como "a punto de perder el contacto".

Imagina que tienes un cuerpo que pierde contacto con el suelo, así:

Suponga que la fuerza \(F\) aumenta con el tiempo y el ejercicio solicita el valor de la fuerza en el instante en el que el bloque pierde contacto con el suelo.

Al hacerlo un diagrama de cuerpo libre del bloque:

Aplicación de la segunda ley de Newton:

\[\sum \text { Todas las fuerzas }=m a \rightarrow F+N-P=m a\]

Como el cuerpo está estacionario y permanecerá estacionario hasta el momento en que pierda contacto con el suelo, tenemos que \(a=0\). Y lo mejor de esta situación es que \(N=0\). Por lo tanto:

\[F = P\]

Luego concluimos que cuando la fuerza alcanza el valor del peso, el cuerpo perderá contacto con el suelo.

Reacción de la F. Peso y la F. Normal

¿Recuerdas la tercera ley de Newton? Para cada acción hay una reacción en la misma dirección y de mismo módulo, pero con sentido dirección opuesto.

Ya hemos dicho que la fuerza peso se debe a la atracción de la Tierra. Si la Tierra atrae a un objeto, eso significa que el objeto atrae a la Tierra con una fuerza de misma intensidad como en esta pequeña figura (un poco exagerada)

Ok, cuando una manzana cae ella cae por ser atraída hacia la tierra por una fuerza 

\(\vec{P}\). Si la masa de la manzana es \(100 g=0,1 k g\) y suponga que \(g=10 m / s^{2}\) (en lugar de \(9.8\) para no complicarlo, ¿verdad?) La fuerza resultante sobre la manzana será

\[P=m_{manzana} g=0,1 \times 10=1 N\]

¿Y por qué cuando la manzana cae la Tierra no se eleva? La fuerza sobre la Tierra en este caso es la misma, pero su aceleración es muuuuucho menor porque la masa de la Tierra es mucho más grande, algo así como \(6 \times 10^{24} k g\). La aceleración de la Tierra es

\[P=M_{\text {Tierra}} a_{\text {Tierra}} \rightarrow a_{\text {Tierra}}=\frac{P}{M_{\text {tierra}}}=\frac{1}{6 \times 10^{24}}\]

\[a_{T i e r r a}=1,67 \times 10^{-25} \mathrm{m} / \mathrm{s}^{2}\]

Es decir, la aceleración de la Tierra es insignificante.

¿Y la reacción de la Normal? ¡Depende de dónde está tu objeto!

Si pongo un libro sobre una mesa, ya que los dos se tocan, hay un par de fuerzas de acción-reacción de fuerzas normales entre ellos. La mesa ejerce una normal en el libro hacia arriba y el libro ejerce una normal en la mesa apuntando hacia abajo

¡Eso es todo amigos, vamos a los ejercicios!