Repaso de Fuerzas y leyes de movimiento de Newton de AP Physics 1 (AP de Física 1)

que dice la primera ley de newton la primera ley de newton dice que los objetos no van a cambiar su velocidad a menos que exista una fuerza no equilibrada así que si no hay una fuerza sobre un objeto o las fuerzas están equilibradas entonces el objeto se seguirá moviendo con una velocidad constante o si se encuentra en reposo se mantendrá en reposo en otras palabras no tiene que haber una fuerza neta para que algo tenga movimiento solo tiene que haber una fuerza neta para que algo se acelere es importante hacer notar que la primera ley de newton no solo aplica para objetos solos también aplica a sistemas de objetos en otras palabras si consideramos un sistema de objetos y vemos el centro de masa de ese sistema el centro de masa del sistema permanecerá en reposo o permanecerá en movimiento constante siempre y cuando no haya una fuerza externa no equilibrada en el sistema estos objetos puede que ejerzan fuerzas entre ellos pero el centro de masa permanecerá en reposo o con una velocidad constante a menos que llegue una fuerza no equilibrada externa al sistema cual sería un ejemplo de un problema de la primera ley de newton digamos que un elevador pesado puede ser levantado por un cable que ejerce una fuerza fs el elevador se mueve hacia arriba con una velocidad constante de 5 metros por segundo queremos saber cómo se compara la fuerza del cable con la fuerza de gravedad y un error muy común es pensar que ya que el objeto se está moviendo hacia arriba la fuerza que va hacia arriba debe ser más grande pero no es así porque esto se está moviendo hacia arriba con una velocidad constante y por eso las fuerzas tienen que estar equilibradas ya que la primera ley de newton dice que si la fuerza neta es cero el objeto mantendrá una velocidad constante y para que la fuerza neta sea cero estas fuerzas se tienen que cancelar aun cuando esto no nos parezca intuitivo la fuerza del cable tiene que ser igual a la fuerza de gravedad para que el elevador se pueda mover con una velocidad constante qué significa la segunda ley de newton la segunda ley de newton dice que la aceleración de un objeto es proporcional a la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa que si lo vemos en forma de ecuación nos dice que la aceleración de un objeto va a ser igual a la fuerza neta sobre ese objeto dividida entre la masa del objeto y esta fórmula funciona para cada dirección individual en otras palabras la aceleración en la dirección x es igual a la fuerza neta en x dividida entre la masa y la aceleración en la dirección y es igual a la fuerza neta en la dirección y dividida entre la masa como se vería un problema de la segunda ley de newton digamos que una roca espacial de 5 kilogramos sólo tiene actuando sobre sí a las fuerzas mostradas en el diagrama y queremos determinar la aceleración en la dirección horizontal ya que horizontal es la dirección x solo usaremos las fuerzas en la dirección x para así poder determinar la aceleración en esta dirección x lo que quiere decir que no vamos a tomar en cuenta la fuerza de 15 newtons y de 5 newtons estas fuerzas no contribuyen a la aceleración en la dirección x las únicas fuerzas que contribuyen a la aceleración es el componente horizontal de esta fuerza de 10 newtons que es 10 coseno de 30 grados y la fuerza de 40 mil tons por lo que la aceleración en la dirección x va a ser igual a la fuerza neta en la dirección x que será 10 por coseno de 30 grados y es una contribución positiva ya que va hacia la derecha menos 40 que es una contribución negativa ya que va hacia la izquierda y finalmente dividimos esto en 35 kilogramos lo que nos da la aceleración correcta en la dirección x qué significa la tercera ley de newton la tercera ley de newton dice que si el objeto a ejerce una fuerza sobre el objeto b entonces el objeto b debe ejercer una fuerza equivalente y opuesta sobre el objeto a y esto se cumple aún si los objetos tienen tamaños o aceleraciones diferentes en otras palabras digamos que la tierra está atrayendo a un asteroide aún cuando la tierra es mucho más grande que el asteroide el asteroide va a ejercer una fuerza equivalente y opuesta sobre la tierra y esto se cumple sin importar que el asteroide se esté moviendo con una velocidad constante o si está acelerando como se vería un problema que involucre a la tercera ley de newton digamos que una esfera de metal se encuentra arriba de una caja de cartón cuál de los siguientes son pares de fuerzas de la tercera ley de newton la primera opción dice que hay una fuerza hacia arriba ejercida por la caja sobre la esfera así que para encontrar la fuerza acompañante lo único que tenemos que hacer es cambiar el orden de los objetos lo que significa que la pareja de esta fuerza va a ser una fuerza ejercida por la esfera sobre la caja que no es lo que dice aquí así que esta opción no es la opción ve menciona una fuerza hacia arriba ejercida por la mesa sobre la caja y sabemos que si intercambiamos las etiquetas tendremos la fuerza acompañante que sería una fuerza ejercida por la caja sobre la mesa que no es esto no es la opción ve la opción se menciona una fuerza ejercida por la caja sobre la esfera si intercambiamos las etiquetas va a ser una fuerza sobre la caja ejercida por la esfera que no es lo que dice aquí y la opción de se refiere a una fuerza ejercida por la mesa sobre la caja que si intercambiamos las etiquetas va a ser una fuerza acompañante ejercida por la caja sobre la mesa que justo es lo que dice aquí así que efectivamente nuestra respuesta es el inciso d es un par de fuerzas de la tercera ley de newton lo que significa que ambas siempre deben ser iguales y opuestas otros pares pueden ser opuestos e iguales pero sin importar que ocurran estas dos fuerzas siempre tienen que ser iguales y opuestas como podemos encontrar la fuerza de gravedad que actúa sobre un objeto cerca de la tierra la fuerza de gravedad en todos los objetos cercanos a la tierra va a apuntar hacia abajo hacia el centro de la tierra y va a ser igual a la masa por la aceleración de la gravedad otra palabra para referirse a la fuerza de gravedad es el peso de un objeto pero tengan cuidado el peso no es la masa el peso es la fuerza de gravedad lo que significa que el peso es igual a m porque no la masa solita la fuerza de gravedad es un vector y tiene unidades de newtons como luce un problema que involucra a la fuerza de gravedad digamos que conocemos la masa y el peso de un menor que son de 5 kilogramos y 49 newtons respectivamente cuando los medimos en la tierra cuáles serán los valores de la masa y el peso del melón si lo llevamos a la luna el valor de la masa no va a cambiar ya que es la medida de la cantidad de sustancia en ese objeto pero el peso del melón en la luna si va a cambiar y va a ser menor ya que el tirón gravitatorio de la luna es más débil así que la única opción consistente con ambas condiciones es el inciso a ya que la masa permanece igual el peso es menor qué es la fuerza normal la fuerza normal es la fuerza exterior perpendicular a la fuerza ejercida sobre una superficie no hay una fórmula específica para calcular la fuerza normal simplemente tenemos que usar la segunda ley de newton para esto hacemos que la fuerza normal sea una de las incógnitas de las fuerzas actuando en esa dirección y la despejamos si tenemos una masa sobre una superficie horizontal y no tenemos alguna otra fuerza involucrada la fuerza normal solo tiene que equilibrar a la fuerza de gravedad lo que significa que la fuerza normal simplemente será igual a m por g pero si hay otras fuerzas actuando aquí o si existe aceleración en la misma dirección que la fuerza normal entonces la fuerza normal no va a ser igual a m por g y tendremos que usar la segunda ley de newton en esa dirección para encontrarla la palabra normal en la fuerza normal se refiere al hecho de que esta fuerza siempre va a ser pp a la superficie que está ejerciendo esta fuerza y es bueno recordar que para una masa sobre una pendiente esa fuerza normal no va a ser igual a m por g va a ser igual a m porque x coseno de t está la fuerza normal es un vector ya que es una fuerza y sus unidades son de newtons como se vería un problema que involucre a la fuerza normal digamos que una persona empuja una caja en reposo de masa m contra el techo con una fuerza afp y lo hace con un ángulo theta queremos saber cuál es la magnitud de la fuerza normal ejercida por el techo sobre la caja dibujamos un diagrama de fuerzas tenemos la fuerza afp de la persona la fuerza m por g de la gravedad si la caja está en reposo debe existir una fuerza que evite que la caja se deslice sobre el techo que probablemente será una fuerza de fricción estática y también tendremos una fuerza normal pero esta fuerza normal no va a estar apuntando hacia arriba fuerza normal del techo no va a apuntar hacia arriba la fuerza normal del techo solo puede apuntar hacia afuera de la casa que es hacia abajo así que nuestra fuerza normal estará en la dirección vertical por lo que sólo vamos a analizar las fuerzas que están en la dirección vertical y sabemos que estas fuerzas deben estar balanceadas verticalmente ya que esta caja no tiene ningún movimiento vertical en otras palabras la fuerza normal más la fuerza de gravedad deben ser iguales al componente vertical de esta fuerza afp que ya que se encuentra del lado opuesto del ángulo podemos escribirla como fdp por el seno de theta despejamos la fuerza normal que es igual a afp por el seno de teta menos m por g vean que no tuvimos que usar la fuerza de fricción ni el componente horizontal de la fuerza en gp ya que la fuerza normal se encuentra en la dirección vertical qué significa la fuerza de tensión la fuerza de tensión es la fuerza ejercida por una cuerda cadena cable o cualquier objeto similar a una cuerda la atención solo puede jalar un objeto en otras palabras una cuerda no puede empujar un objeto de manera similar a la forma normal no hay una fórmula específica para la atención para encontrar la atención tenemos que incluirla como una incógnita en la segunda ley de newton y después despejar la y ya que la fuerza de tensión siempre jala el objeto cuando dibujen su diagrama de fuerzas asegúrense de dibujar las fuerzas de atención hacia afuera del objeto en donde la cuerda está ejerciendo esta fuerza esto es un vector ya que es una fuerza y sus unidades son de newtons como luce un problema que involucra a la tensión digamos que dos cuerdas sostienen una caja en reposo y queremos saber cómo se comparan las magnitudes de las tensiones en las dos cuerdas si dibujamos nuestro diagrama de fuerzas tendremos una fuerza hacia abajo que es la fuerza de gravedad tendremos una fuerza de tensión a la izquierda y otra fuerza de atención diagonal hacia la derecha y ya que la caja está en reposo las fuerzas tienen que estar equilibradas en todas las direcciones lo que significa que el componente vertical de t2 tiene que ser igual a la magnitud de la fuerza de gravedad y el componente horizontal de t2 tiene que ser igual a la magnitud de la fuerza de uno pero si un componente de t2 es igual a toda la magnitud de tf1 entonces la magnitud de t 2 completa va a ser mayor que de 1 en otras palabras si una parte de t 2 es igual a t entonces este 2 completo va a ser más grande que t 1 que significa la fuerza de fricción cinética la fuerza de fricción cinética es la fuerza que trata de evitar que las superficies se deslicen la fuerza de fricción cinética es proporcional a la fuerza normal entre ambas superficies y también es proporcional al coeficiente de fricción cinética entre estas dos superficies noten que la fuerza de fricción cinética no depende de la velocidad del objeto en otras palabras si la fuerza normal y el coeficiente de fricción cinética son iguales entonces no importa qué tan rápido o lento vaya el objeto no importa qué tan fuerte o suave hallemos el objeto la fuerza de fricción cinética va a mantener el mismo valor y ya que la fricción cinética es una fuerza es un vector y sus unidades son de newtons como se vería un problema que involucre la fuerza de fricción cinética que tenemos un auto que viaja con cierta velocidad de crucero frena de golpe y patina hasta detenerse queremos saber cuáles dos cambios aumentarían la distancia requerida para que el auto patinó hasta detenerse para tener una intuición de lo que debe pasar para que este auto recorra una mayor distancia antes de detenerse vamos a usar una fórmula cinemática ya que el auto patina hasta detenerse la velocidad final será de cero si despejamos la distancia ésta va a ser igual a menos de cero al cuadrado entre dos veces la aceleración así que para que el auto patinó una mayor distancia podemos aumentar la velocidad inicial del auto o reducir la desaceleración para ver que disminuye la magnitud de la aceleración usaremos la segunda ley de newton la fuerza que disminuye al auto que está patinando es la fuerza de fricción cinética y ya que no tenemos ninguna fuerza vertical externa fuerza normal es m por g aquí las masas se cancelan por lo que la aceleración no va a depender de la masa del auto si reducimos el coeficiente de fricción cinética va a reducir la magnitud de la desaceleración y el reducir la desaceleración va a aumentar la distancia que recorre el auto antes de detenerse la fuerza de fricción estática evita que las superficies se deslicen y esta fuerza de fricción estática será igual a la fuerza que trata de hacer que el objeto se deslice y esto se va a cumplir hasta que esta fuerza que trata de hacer que se deslice el objeto sea igual a la máxima fuerza de fricción estática que es proporcional a la fuerza normal y también es proporcional al coeficiente de fricción estática si el valor máximo de esta fuerza de fricción estática es de 100 newtons y tratamos de hacer que el objeto se deslice usando solamente 80 newtons la fuerza de fricción estática se nos va a oponer con una fuerza de 80 newtons evitando así que el objeto se deslice si ejercemos 90 minutos la fuerza de fricción estática va a aumentar hasta llegar a 90 minutos nuevamente a evitando que el objeto se deslice pero si ejercemos una fuerza de 110 newtons ya que esto es mayor que el máximo posible de la fuerza de fricción estática el objeto se va a deslizar y sólo nos quedará una fuerza de fricción cinética una vez que el objeto se está deslizando como luce un problema que involucra a la fuerza de fricción estática digamos que empujas un refrigerador de 180 kilogramos de masa y el coeficiente de fricción estática entre el refrigerador y el suelo es de punto 8 si ejercemos 50 newtons de fuerza horizontal sobre el refrigerador cuál es la magnitud de la fricción estática ejercida por el suelo sobre el refrigerador primero tenemos que encontrar cuál es el máximo de la fuerza de fricción estática y lo hacemos usando muelle por fm y ya que no tenemos ninguna fuerza vertical externa nuestra fuerza normal va a ser igual a m porque ponemos los valores y esto nos va a dar que la fuerza de fricción estática máxima posible es de 1.411 newtons pero este no va a ser el valor de la fuerza de fricción estática este simplemente es el valor máximo de esta fuerza de fricción estática así que si ejercemos una fuerza de 50 newtons a la derecha ya que esto no excede el máximo de la fuerza de fricción estática la fuerza de fricción solamente se va a oponer con una fuerza de 50 newtons una fuerza igual pero a la izquierda y va a seguir igualando cualquiera que sea la fuerza que nosotros ejerzamos sobre el refrigerador hasta que superemos el máximo posible de esta fuerza de fricción estática como trabajamos con las pendientes las pendientes simplemente son superficies con cierta inclinación en las que los objetos pueden deslizarse hacia arriba o hacia abajo y ya que el objeto no puede moverse adentro de esta superficie o hacia afuera de esta superficie el movimiento sólo puede ser paralelo a esta superficie no tendremos ninguna aceleración perpendicular a la superficie así que en lugar de descomponer nuestras fuerzas en x y las descomponemos en fuerzas perpendiculares y paralelas a la superficie el componente de la gravedad que es paralelo a la superficie va a ser igual a m por g por el seno de teta donde teta es el ángulo entre el suelo horizontal y la superficie inclinada y el componente de la gravedad que es perpendicular a la superficie va a ser igual a m por g por el coseno detecta donde nuevamente theta es el ángulo que se forma entre el suelo y esta superficie y ya que no tenemos ninguna aceleración perpendicular a la superficie fuerza neta en la dirección perpendicular tiene que ser igual a 0 lo que significa que el componente perpendicular de la gravedad tiene que ser compensado por la fuerza normal y es por eso que el valor de la fuerza normal es el mismo que el del componente perpendicular de la gravedad y ya que estos componentes perpendiculares se cancelan la fuerza neta total sobre un objeto que se encuentra en una pendiente será igual al componente de la fuerza neta que es paralela a la superficie y si no tiene fricción está simplemente va a ser igual a m por g por el seno de teta y si existiera fricción la fuerza neta sería igual a m por g por el seno de teta menos la fuerza de fricción pero tengan cuidado cuando encuentren la fuerza de fricción en una pendiente ya que la fuerza normal no va a ser m porque la fuerza normal será m porque x coseno de teta como no sea un problema que involucra a las pendientes pues digamos que tenemos una caja que comienza con una gran velocidad de baja de una rampa sin fricción y se va deslizando hacia arriba de la rampa pasando por estos puntos que marcamos como w x y y ceta queremos clasificar las magnitudes de la fuerza neta sobre la caja para los puntos indicados cuando la caja se encuentra volando en el aire sabemos que la fuerza neta simplemente será la fuerza de gravedad hacia abajo que es m por g así que las fuerzas iceta son iguales y en una pendiente la fuerza neta es el componente de la fuerza que es paralela a la superficie con la pendiente que será m por g por el seno de theta noten que la fuerza neta en esta superficie con pendiente apunta hacia abajo de la pendiente aún cuando la masa se mueve hacia arriba de la pendiente lo que significa que la masa va disminuyendo su velocidad pero ya que el eje es más grande que m por g por el seno de teta z y van a ser mayores que la fuerza en xy w qué significa tratar un sistema como un solo objeto es un truco que podemos usar cuando dos o más objetos se mueven con la misma rapidez o aceleración lo que nos evitará usar múltiples ecuaciones para encontrar la aceleración y solo usar una ecuación para obtener la aceleración cuando tratamos a un sistema de objetos como un solo objeto podemos ignorar las fuerzas internas ya que las fuerzas internas siempre se van a cancelar lo que significa que puede encontrar la aceleración de un sistema observando solamente las fuerzas externas a este sistema y dividiendo todo entre la masa total del sistema como sería un ejemplo que involucre el tratar un sistema de objetos como un solo objeto digamos que tenemos una masa m1 que es jalada a través de una mesa horizontal rugosa por una cuerda conectada con la masa m2 si el coeficiente de fricción cinética entre la masa m 1 y la mesa es cuál será la expresión para la magnitud de la aceleración de las masas aquí en lugar de analizar las fuerzas en cada una de las masas de forma individual en donde tendríamos que usar múltiples ecuaciones y múltiples variables vamos a usar una sola ecuación de la segunda ley de newton y trataremos a este sistema como si fuera un solo objeto lo que básicamente significa que nos vamos a preguntar cuáles son las fuerzas externas que hacen que el sistema se mueva o se detenga la fuerza externa que hace que se mueva el sistema es la fuerza de gravedad que apunta hacia abajo que actúa en m2 es una fuerza externa porque está siendo ejercida por la tierra que no forma parte de nuestro sistema y cómo hace que nuestro sistema se mueva va a ser una fuerza positiva y las fuerzas que traten de detener a nuestro sistema las vamos a considerar como negativas como esta fuerza de fricción cinética en m1 que también es una fuerza externa ya que la mesa no forma parte de nuestro sistema pero vamos a incluir las fuerzas de tensión ya que estas son las fuerzas internas y se van a cancelar y como estamos tratando a este objeto como si fuera una sola masa vamos a dividir esto entre la masa total y si queremos escribir la fuerza de fricción cinética en términos de su coeficiente vamos a poner nunca por la fuerza normal y la fuerza normal en m uno va a ser igual a m uno por g y ahora con una sola ecuación tenemos la expresión de la aceleración de nuestro sistema sin tener que resolver varias ecuaciones con varias incógnitas