Contenido de la página (Tema 3: Fuerzas no equilibradas)

Un sistema de fuerzas no equilibradas es aquel en el que uno o más de sus componentes es distinto del resto, de modo que la fuerza resultante es diferente de cero:

\vec{F}_{r} = \sum \vec{F} \neq 0

Como consecuencia, el objeto sobre el que actúan esas fuerzas cambia su velocidad o su dirección (si ya estaba en movimiento) o empieza a moverse (si estaba en reposo). La cantidad de movimiento se modifica porque aparece una aceleración, según la segunda ley de Newton: \vec{F}_{r} = m \cdot \vec{a}.

Ejemplo 1: el camión. En el eje vertical, la fuerza normal y la gravedad están equilibradas y se anulan (N - P = 0). En el eje horizontal actúan F_1 = 100 \, \text{N} en el sentido del movimiento y F_2 = 60 \, \text{N} en el sentido contrario. Al ser distintas, existe desbalance:

F_{r} = F_1 - F_2 = 100 \, \text{N} - 60 \, \text{N} = 40 \, \text{N}

La resultante tiene el sentido de F_1, por lo que el camión incrementa su velocidad. La fricción de las llantas con el pavimento es muy pequeña; además, sin esa mínima oposición las llantas girarían sobre su eje y el vehículo no avanzaría.

Ejemplo 2: la caja en el plano inclinado. Partía inmóvil; se aplica una fuerza F_1 suficiente para vencer su inercia y la fuerza de fricción F_2 que se opone al avance. Como el sistema está en desbalance y la gravedad tiene un componente paralelo al plano, el cuerpo se acelera gradualmente al bajar.

Esquiador (imagen superior). Para ganar velocidad imprime mayor fuerza en sus movimientos; para frenar se apoya en la fuerza opuesta que ofrece la fricción con la nieve, además de sus propios esfuerzos por desacelerar.

¿Qué sucede cuando se aplasta el acelerador de un auto? ¿Y si se aplasta el embrague mientras está en movimiento?

1. Al pisar el acelerador se aumenta la fuerza de empuje del motor sobre las ruedas: F_{\text{motor}} > F_{\text{resistencia}}, resultante distinta de cero en el sentido del avance.
2. La resultante no nula produce una aceleración positiva: a = \frac{F_{r}}{m} > 0, por lo que el auto aumenta su rapidez.
3. Al pisar el embrague se desconecta el motor de las ruedas: desaparece el empuje y solo actúan rozamiento y resistencia del aire, resultante opuesta al movimiento.
4. Esa resultante negativa genera una desaceleración, y el auto pierde velocidad hasta detenerse.

¿Son lo mismo rapidez y velocidad?

1. La rapidez es la variación de la distancia en el tiempo: magnitud escalar, r = \frac{d}{t}, sin dirección.
2. La velocidad es la variación de la posición (desplazamiento) en el tiempo: magnitud vectorial, \vec{v} = \frac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}, con dirección y sentido.
3. Ejemplo: recorrer 100 \, \text{m} y volver al punto de partida da rapidez media r = \frac{200 \, \text{m}}{t}, pero velocidad media \vec{v} = 0 porque \Delta \vec{x} = 0.
4. Por tanto coinciden solo en valor cuando el movimiento es rectilíneo en un solo sentido.

Dados F_1 = 100 \, \text{N} y F_2 = 60 \, \text{N}, calcula la fuerza resultante horizontal y explica el movimiento.

1. Defino el sentido de F_1 como positivo: F_1 = +100 \, \text{N}, F_2 = -60 \, \text{N}.
2. Sumo las fuerzas del eje horizontal: F_{r} = F_1 + F_2 = 100 \, \text{N} + (-60 \, \text{N}).
3. Obtengo F_{r} = 40 \, \text{N}, con el mismo sentido que F_1.
4. Verifico el eje vertical: N - P = 0 \Rightarrow equilibrado, no hay movimiento vertical.
5. Como F_r > 0, el camión acelera en el sentido de avance.