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Tipos de Fuerza en Física (con fórmulas)
En física, hay varios tipos de fuerza que se pueden calcular utilizando diferentes fórmulas. A continuación, presentamos un listado con tipos de fuerza claves en física.
Fuerzas de contacto:
· Fuerza según la segunda Ley de Newton
· Fuerza de fricción
· Fuerza normal
· Fuerza centrípeta
· Fuerza elástica
· Fuerza de tensión
Fuerzas a distancia o de campo:
· Fuerza gravitatoria
· Fuerza eléctrica
· Fuerza electromagnética
Fuerza según la segunda Ley de Newton
La segunda Ley de Newton plantea que si se aplica una fuerza sobre un cuerpo, este experimenta una aceleración. En otras palabras, para mover un objeto es necesario aplicar una cantidad determinada de fuerza. Además, la fuerza requerida dependerá también de la masa del cuerpo. Mientras más masa tenga el cuerpo, mayor será la fuerza necesaria para moverlo.
Según esta ley, la fórmula para calcular la fuerza es:
A continuación explicamos el significado de cada término de la fórmula, junto con las unidades en el Sistema Internacional
· F: corresponde a la fuerza, expresada en Newtons, N. Esta unidad es equivalente a (kg x m) / s2.
· m: es la masa del cuerpo en movimiento, expresada en kilogramos, kg.
· a: es la aceleración del cuerpo, expresada en metros por segundo al cuadrado, m / s2.
Esta fórmula es clave para calcular cuánta fuerza precisamos aplicar en un objeto para jalar o empujarlo.
Fuerza de fricción
La fuerza de fricción es aquella que resiste al deslizado o rodadura de un objeto sólido sobre una superficie.
Si la fuerza de fricción de la superficie es mayor que la fuerza aplicada por el objeto, dicho objeto permanecerá en reposo. Esto se denomina fricción estática. Por el contrario, si el objeto vence a la fuerza de fricción y se mueve o rueda sobre la superficie, esto se denomina fricción cinética.
Tanto en la fricción estática como cinética, la fórmula que se aplica es la siguiente:
Donde:
· F: es la fuerza de fricción expresada en Newtons, N. Esta fuerza puede ser fricción estática o cinética.
· µ: es el coeficiente de fricción de la superficie. El coeficiente cambia según si es fricción estática o cinética, y según las características del material de la superficie. No tiene unidades.
· N: es la fuerza normal, expresada también en Newtons, N.
Fuerza normal
La fuerza normal es aquella que se opone al peso de un objeto que reposa sobre una superficie. Por ello, la fuerza normal está relacionada con la fuerza de la gravedad. La fuerza normal se puede calcular con la siguiente fórmula:
En el que:
· N: es la fuerza normal expresada en Newtons, N.
· m: es la masa del cuerpo que reposa sobre la superficie, expresada en kilogramos, kg.
· g: es la aceleración del cuerpo debido a la fuerza gravitatoria terrestre, con un valor de 9,776 m / s2.
La fuerza normal también se aplica sobre un objeto que reposa en una superficie inclinada. En este caso, la fórmula es:
En el que θ es el ángulo de la inclinación de la superficie respecto a la perpendicular del plano terrestre, sin unidades.
Fuerza centrípeta
La fuerza centrípeta es la fuerza que actúa sobre un objeto que se mueve alrededor de un eje de rotación. La fuerza se dirige siempre hacia el eje de rotación, siendo así una fuerza que mantiene el objeto circulando alrededor del eje. Debido a este movimiento, el objeto sufre un efecto de inercia en dirección opuesta (centrifugación).
Para ilustrar este tipo de fuerza, tomemos la Tierra y el sol como ejemplo. La fuerza de la gravedad es la fuerza centrípeta que mantiene la Tierra girando alrededor del sol. Por otro lado, debido a la inercia del movimiento, la Tierra tiende a alejarse del sol. En conjunto, la fuerza centrípeta y el efecto de inercia evitan que la Tierra se escape de órbita o colisione con el sol.
La fuerza centrípeta se calcula con la siguiente fórmula:
En el que:
· F: es la fuerza centrípeta aplicada en el objeto que gira alrededor del eje de rotación. Se expresa en Newtons, N.
· m: es la masa del objeto en movimiento, expresada en kilogramos, kg.
· v: es la velocidad del objeto en movimiento, expresada en metros por segundo, m / s.
· r: es la distancia entre el objeto y el eje de rotación, expresada en metros, m.
Si uno sabe la velocidad angular, la fórmula se puede reescribir de la siguiente forma:
En el que w es la velocidad angular, expresada en 1 / s.
Fuerza elástica
La fuerza elástica es aquella que devuelve un cuerpo a su forma original después de ser deformado por una fuerza externa. Imaginemos que tomamos un muelle y lo extendemos con nuestras manos, deformándolo. Al soltarlo, la fuerza elástica del muelle permite que regrese a su forma original.
Según la Ley de Hooke, la fuerza elástica se puede calcular con la siguiente fórmula:
Donde:
· F: es la fuerza elástica aplicada en el objeto, expresada en Newtons, N.
· k: es la constante de proporcionalidad que depende de la forma y composición del objeto. Se expresa en Newtons por metro cuadrado, N / m2.
· ΔL: es la cantidad de deformación producida por la fuerza externa, expresada en metros, m. El término ΔL es intercambiable por x.
Fuerza de tensión
La fuerza de tensión es una fuerza de tracción transmitida por una cuerda, hilo, cable o cadena sobre un objeto. Es una fuerza que se opone a otra, como la gravedad o a la de una persona tirando de una cuerda.
La fuerza de tensión no posee una fórmula predefinida. En su lugar, se ha de tomar la fuerza opuesta como referencia. Por ejemplo, si queremos calcular la fuerza de tensión de una cuerda que sostiene una esfera, la fuerza de tensión será la misma que la fuerza gravitatoria aplicada en el objeto. Es decir:
Fuerza gravitatoria
La fuerza gravitatoria o gravitacional es una fuerza a distancia y de atracción entre cuerpos que contienen masa. El módulo de esta fuerza aumenta o disminuye en proporción a la masa de los cuerpos, siempre y cuando estén dentro del campo gravitatorio. Sumado a esto, la fuerza gravitatoria es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos.
Esta fuerza se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
En el que:
· F: es la fuerza gravitatoria, expresada en Newtons, N.
· G: es la constante gravitacional, con un valor aproximado de 6,674 x 10-11 m3 / (kg x s2).
· m1 y m2: son las masas de los cuerpos que interactúan entre sí, expresadas en kilogramos, kg.
· r: es la distancia entre los centros de masas de ambos cuerpos, expresada en metros, m.
Para calcular la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre un cuerpo, podemos simplificar la fórmula de la siguiente manera:
En el que:
· F: es la fuerza gravitatoria ejercida sobre el cuerpo, expresada en Newtons, N.
· m: es la masa del cuerpo dentro del campo gravitatorio de la Tierra, expresada en kilogramos, kg.
· g: es la aceleración del cuerpo en dirección al centro de la Tierra, con un valor aproximado de 9,807 m / s2.
Fuerza eléctrica
La fuerza eléctrica es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas. Estas cargas se atraerán o repelerán según el tipo de carga. Si ambas son cargas positivas o negativas, se repelerán; en cambio, si son cargas distintas, se atraerán. Por ejemplo, dos protones o electrones se repelerán, mientras que un protón y un electrón se atraerán.
La Ley de Coulomb define la fuerza eléctrica mediante la fórmula siguiente:
En el que:
· F: es la fuerza eléctrica, expresada en Newtons, N. Puede ser fuerza de atracción o de repulsión.
· k: es la constante de coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. Tiene un valor aproximado de 8,987 x 109 (N x m2) / C2.
· q1 y q2: es el valor de las cargas eléctricas, expresadas en coulombs, C.
· r: es la distancia que separa las cargas eléctricas, expresada en metros, m.
Si tenemos en cuenta la fórmula, la fuerza eléctrica será mayor conforme más altas sean los valores de las cargas eléctricas y menor distancia haya entre ellas.
Fuerza electromagnética
La fuerza electromagnética tiene lugar cuando partículas cargadas eléctricamente se encuentran en movimiento. En concreto, es la fuerza que el campoeléctrico y magnético que una carga aplica sobre otra que esté en movimiento.
Según la ley de fuerza de Lorentz, la fuerza electromagnética se describe como:
Esta ecuación contiene dos partes: una relacionada con el campo eléctrico, y la otra con el campo magnético.
Campo eléctrico
La fórmula que describe la fuerza aplicada por el campo eléctrico es:
En el que:
· F: es la fuerza eléctrica aplicada por el campo eléctrico sobre una carga, expresada en Newtons, N.
· q: es la carga que se mueve en el campo eléctrico, expresada en coulombs, C.
· E: es el campo eléctrico, expresado en Newtons por coulombs, N / C.
Campo magnético
La fórmula que describe la fuerza aplicada por el campo magnético es:
En el que:
· F: es la fuerza magnética aplicada por el campo magnético sobre una carga, expresada en Newtons, N.
· q: es la carga que se mueve en el campo magnético, expresada en coulombs, C.
· v: es la velocidad de la carga, expresada en metros por segundo, m / s.
· B: es el campo magnético, expresado en teslas, T. Esta unidad es equivalente a (N x s) / (C x m).
· θ: es el ángulo entre la velocidad de la carga y el campo magnético. No tiene unidades.