¿Qué es la fuerza y cómo cambia el movimiento?

Para una fuerza, identifica quién actúa y sobre qué cuerpo

Mientras la mano toca el carrito, lo empuja. La Tierra tira de él hacia abajo, y la mesa o el raíl lo sostiene desde abajo. Son interacciones distintas. La fuerza describe cuantitativamente una acción así: importan tanto su magnitud como su dirección y sentido. Un empujón hacia la derecha y otro igual de intenso hacia la izquierda producen efectos distintos.

La fuerza se mide en newtons, abreviados N. En un diagrama resulta útil representarla con una flecha: su orientación indica hacia dónde actúa, y su longitud, según una escala elegida, indica la magnitud. La flecha de fuerza no es una trayectoria ni una flecha de velocidad. Por sí sola no permite saber hacia dónde se mueve el carrito en ese instante.

La velocidad describe con qué rapidez y en qué dirección y sentido cambia la posición. La aceleración describe el cambio de velocidad con el tiempo. Un cuerpo acelera cuando aumenta su rapidez, cuando la reduce y cuando gira. La fuerza está relacionada con ese cambio de velocidad. NASA Glenn: leyes del movimiento.

Primero reúne todas las fuerzas sobre un solo carrito

Imaginemos un raíl horizontal y un carrito que no da saltos. La gravedad tira de él hacia abajo y el apoyo lo empuja hacia arriba; en nuestro modelo, estas fuerzas verticales se equilibran. Examinemos ahora las fuerzas horizontales. Si un dispositivo tira hacia la derecha con 2 N y otro hacia la izquierda con 2 N, su efecto horizontal conjunto es nulo.

Esta suma, que tiene en cuenta las direcciones y los sentidos, se llama fuerza neta, o resultante. Si actúan 3 N hacia la derecha y 1 N hacia la izquierda, la fuerza neta es de 2 N hacia la derecha. Resume fuerzas ya contabilizadas; no debe añadirse como una fuerza independiente más. Si las fuerzas forman un ángulo, también hay que considerar la geometría de sus direcciones. OpenStax: suma de fuerzas externas.

Que la fuerza neta sea nula no significa que no haya interacciones. Pueden actuar simultáneamente dos fuerzas iguales y opuestas. También importa sobre qué cuerpo las sumamos: aquí, solo sobre el carrito. Las fuerzas que este ejerce sobre la mano o el raíl pertenecen a la descripción de esos otros cuerpos.

Con fuerza neta nula se conserva el movimiento existente

Con fuerzas iguales y opuestas, un carrito en reposo seguirá en reposo. Pero uno que ya avanza hacia la derecha a 2 m/s seguirá moviéndose igual: una fuerza neta nula no borra su velocidad. Es la primera ley de Newton, la ley de la inercia. OpenStax: inercia y papel del rozamiento.

¿Por qué se detiene entonces un carrito cotidiano? Tras el empujón desaparece la fuerza de la mano, pero la resistencia del aire, las pérdidas en las ruedas y otras interacciones pueden producir una fuerza neta contraria al movimiento. Esa fuerza lo frena. Cuanto menor sea la resistencia total, más tiempo se mantendrá su velocidad casi sin cambios. Moverse no consume una reserva de «fuerza interior».

Hay una condición relativa al observador. Describimos el movimiento respecto a la mesa y, durante este experimento breve, consideramos ese marco de referencia aproximadamente inercial: adecuado para aplicar la primera ley. En un vagón que frena bruscamente o gira, la descripción debe tener en cuenta la aceleración del propio marco de referencia. No podemos trasladar allí nuestro esquema sencillo sin explicarlo.

La misma fuerza neta cambia de modo distinto el movimiento de masas diferentes

Retiremos ahora la tracción hacia la izquierda. Quedan 2 N hacia la derecha. Según la segunda ley de Newton, el carrito adquiere una aceleración en la dirección y el sentido de la fuerza neta. Para una misma masa, una fuerza neta mayor produce mayor aceleración; para una misma fuerza neta, una masa mayor produce menor aceleración. La masa caracteriza aquí la inercia: cuánto cambia el movimiento del cuerpo bajo una fuerza dada. OpenStax: fuerza, masa y aceleración.

Compara los cinco estados iniciales independientes de abajo. En cada caso, las fuerzas actúan durante un segundo, la masa no cambia y despreciamos el rozamiento y la resistencia del aire. Unos dispositivos externos proporcionan la tracción hacia la izquierda o la derecha. Son consecuencias calculadas del modelo, no mediciones de carritos reales.

Los dos primeros casos tienen la misma fuerza neta nula, pero velocidades distintas. El tercero y el cuarto muestran el papel de la masa: 2 N cambian la velocidad de un carrito de 1 kg en 2 m/s durante un segundo, pero la de uno de 2 kg solo en 1 m/s durante ese mismo segundo. Se trata de un cambio de velocidad, no de una regla según la cual «el más pesado siempre va más despacio».

En el quinto caso, la fuerza actúa hacia la izquierda aunque el carrito avanza hacia la derecha. En un segundo su rapidez baja de 2 a 1 m/s. Todavía no se mueve hacia atrás. Si esa misma fuerza continúa, primero alcanzará una velocidad nula y solo después comenzará a moverse hacia la izquierda. La aceleración y el movimiento existente pueden tener sentidos distintos.

Por qué una fuerza igual y opuesta no anula el empujón

Cuando la mano empuja el carrito, este empuja simultáneamente la mano con una fuerza igual y de sentido opuesto. Es la tercera ley de Newton. ¿Cómo puede entonces acelerar el carrito?

Porque las dos fuerzas de esa pareja de interacción actúan sobre cuerpos distintos. La fuerza de la mano sobre el carrito forma parte de la fuerza neta del carrito. La del carrito sobre la mano forma parte de la fuerza neta de la mano. Sumarlas y afirmar que «todo se anula» supondría cambiar de cuerpo a mitad de la explicación. OpenStax: fuerzas de la tercera ley.

Compáralo con las fuerzas verticales. La gravedad terrestre y el apoyo del raíl actúan sobre el mismo carrito y se equilibran en nuestro caso. Sin embargo, proceden de interacciones distintas y no forman una pareja de la tercera ley. La pareja de la fuerza terrestre sobre el carrito es la fuerza del carrito sobre la Tierra; la de la fuerza del raíl sobre el carrito es la fuerza del carrito sobre el raíl. Que dos flechas tengan igual longitud no basta para identificar su relación.

El mismo principio ayuda a entender un cohete: expulsa gases hacia atrás y estos ejercen una fuerza hacia delante sobre él. Esa interacción no necesita aire alrededor contra el que el cohete pueda empujar. El cálculo de su movimiento es más complejo que el de nuestro carrito porque su masa cambia al salir el propelente. OpenStax: empuje de un cohete.

Volvamos al carrito después del empujón

Un carrito avanza hacia la derecha a 2 m/s. Se le aplican dos fuerzas horizontales iguales y opuestas. ¿Se detendrá solo porque las fuerzas «se equilibran»? En nuestro modelo, no. La fuerza neta es nula, así que su velocidad sigue siendo de 2 m/s hacia la derecha. Para frenarlo se necesita una fuerza neta contraria al movimiento.

Las tres leyes forman una manera de razonar: elegir el cuerpo y el marco de referencia, establecer su movimiento inicial, identificar todas las fuerzas externas sobre él y utilizar la fuerza neta para determinar el cambio de velocidad. La fuerza igual y opuesta de la tercera ley debe buscarse sobre el otro participante en la interacción.

Hemos aplicado la mecánica clásica a cuerpos macroscópicos lentos y de masa constante. No hemos descrito el giro ni la deformación del carrito, los fenómenos cuánticos ni el movimiento a velocidades próximas a la de la luz. Esas cuestiones requieren conceptos adicionales y otros límites del modelo. OpenStax: ámbito de la mecánica de Newton.

Tras el empujón, el carrito avanza porque ya tiene velocidad. Las interacciones posteriores la modifican; no se agota ninguna «fuerza de movimiento» interior. La siguiente pregunta del curso trata de la energía: qué cambia y adónde va cuando el carrito acelera, frena o calienta una superficie.