Fuerzas de contacto y fuerzas de campo en Física HSC
Aprende a clasificar las fuerzas de contacto y de campo, identificar qué objeto ejerce cada fuerza y evitar errores comunes en los diagramas de fuerzas.
Pon un libro de texto sobre un escritorio. Se queda quieto. Parece sencillo, hasta que preguntas: ¿qué fuerzas actúan realmente sobre el libro y qué objetos las ejercen?
Podrías decir que la gravedad tira del libro hacia abajo y que el escritorio lo empuja hacia arriba. Bien. Ahora levanta el libro con la mano. ¿Ha desaparecido la gravedad? Por supuesto que no. El libro sigue interactuando con la Tierra, pero el escritorio ya no interactúa con el libro.
Eso nos lleva a una distinción útil. Algunas fuerzas requieren que los objetos estén en contacto. Otras actúan incluso cuando los objetos están separados.
Antes de darles un nombre formal, haz una predicción. Se sostiene un imán a unos pocos centímetros por encima de un clip de acero. El clip salta hacia arriba antes de que el imán lo toque. ¿Es la fuerza magnética una fuerza de contacto?
No. La fuerza existe mientras todavía hay una separación. Eso la convierte en una fuerza de campo.
01La primera pregunta que debes hacer: ¿qué interactúa con qué?
Una fuerza no es algo que un objeto simplemente “tiene”. Una fuerza es una interacción entre dos objetos.
Cuando identifiques una fuerza, intenta completar esta frase:
La fuerza sobre ___ ejercida por ___.
Para el libro de texto sobre el escritorio:
- La Tierra ejerce una fuerza gravitatoria sobre el libro.
- El escritorio ejerce una fuerza normal sobre el libro.
Esta forma de expresarlo evita un error muy común. Los estudiantes suelen enumerar nombres de fuerzas sin identificar su origen. Escribir “fuerza normal” es menos útil que escribir “fuerza normal sobre el libro ejercida por el escritorio”.
Puedes pensar en una fuerza como un mensaje que siempre necesita tanto un emisor como un receptor. “Recibí un mensaje” te dice que ocurrió algo, pero “recibí un mensaje de Mia” te dice de dónde vino. Con las fuerzas ocurre algo parecido: identifica el objeto que experimenta la fuerza y el objeto que causa la interacción.
La analogía tiene sus límites porque las fuerzas no son mensajes literales que viajan entre objetos. Solo es una forma de recordar que toda fuerza representa una interacción.
02Las fuerzas de contacto requieren contacto físico
Una fuerza de contacto actúa cuando dos objetos se están tocando.
Entre los ejemplos habituales de HSC se incluyen:
| Fuerza de contacto | Interacción que la causa |
|---|---|
| Fuerza normal | Una superficie empuja a un objeto que está en contacto con ella |
| Fricción | Dos superficies se oponen al deslizamiento relativo, o a la tendencia a deslizar |
| Tensión | Una cuerda, hilo o cable estirado tira de un objeto unido a él |
| Resistencia del aire | Las moléculas de aire interactúan con un objeto en movimiento |
| Arrastre | Un fluido interactúa con un objeto que se mueve a través de él |
| Fuerza aplicada | Un objeto empuja o tira directamente de otro |
Supón que te apoyas contra una pared. Tu hombro empuja la pared y la pared empuja tu hombro en sentido contrario. La pared no necesita músculos para “empujar”. La fuerza surge de las interacciones entre los átomos de las dos superficies.
A nivel microscópico, muchas fuerzas de contacto implican en último término interacciones electromagnéticas entre partículas cargadas. Sin embargo, para la clasificación de fuerzas en HSC, las llamamos fuerzas de contacto porque los objetos están en contacto físico a escala macroscópica.
La fuerza normal es una fuerza de superficie
La palabra normal aquí no significa habitual. En matemáticas y física, normal significa perpendicular.
Por tanto, una fuerza normal actúa perpendicularmente a la superficie que la produce.
Si un libro está sobre una mesa horizontal, la fuerza normal de la mesa es vertical.
Si un bloque reposa sobre una rampa, la fuerza normal no es vertical. Apunta perpendicularmente a la rampa.
Por eso memorizar que “la fuerza normal apunta hacia arriba” causa problemas. Solo apunta directamente hacia arriba cuando la superficie correspondiente es horizontal.
La fricción actúa a lo largo de la superficie de contacto
La fricción actúa paralelamente a las superficies en contacto.
Una regla tentadora es:
La fricción siempre apunta en dirección opuesta al movimiento.
Esa regla es demasiado simplista.
La fricción se opone al deslizamiento relativo, o a la tendencia al deslizamiento relativo, entre las superficies en contacto.
Imagina que caminas hacia delante. Tu pie empuja hacia atrás contra el suelo. La fricción estática del suelo empuja tu pie hacia delante. Por tanto, la fuerza de fricción sobre ti puede apuntar en la misma dirección que tu movimiento global.
La dirección de la fricción depende de lo que las superficies intentan hacer una respecto de la otra, no simplemente de la dirección en la que se mueve el objeto completo.
La tensión procede de un elemento de unión estirado
Una cuerda unida a una caja puede tirar de la caja, pero no puede empujarla.
La fuerza ejercida por la cuerda sobre la caja se llama tensión. Su dirección es a lo largo de la cuerda, alejándose del objeto del que se tira.
Ten cuidado al identificar el origen. Si una persona tira de una caja mediante una cuerda, la fuerza que actúa directamente sobre la caja suele ser ejercida por la cuerda, no por la mano de la persona.
La persona interactúa con la cuerda. La cuerda interactúa con la caja.
Esta distinción se vuelve importante al dibujar diagramas de fuerzas.
03Las fuerzas de campo pueden actuar a través de una separación
Volvamos ahora al clip y al imán. No hay contacto físico y, sin embargo, el clip acelera.
Una fuerza de campo puede actuar entre objetos que no se están tocando.
Las tres interacciones de campo más importantes en Física HSC son:
| Fuerza de campo | Objetos implicados |
|---|---|
| Gravitatoria | Objetos con masa |
| Eléctrica | Objetos con carga eléctrica |
| Magnética | Imanes, materiales magnéticos y cargas en movimiento o corrientes |
La palabra campo nos proporciona una forma de describir cómo un objeto puede experimentar una fuerza en su ubicación sin contacto directo con la fuente.
Por ejemplo, la Tierra produce un campo gravitatorio a su alrededor. Un libro situado en ese campo experimenta una fuerza gravitatoria.
En esta etapa, la regla de clasificación importante es sencilla:
Si los objetos que interactúan deben estar en contacto, clasifica la fuerza como una fuerza de contacto. Si la interacción puede producirse a través de una separación, clasifícala como una fuerza de campo.
Esta regla es útil, pero necesita una precisión. Una fuerza de campo puede seguir actuando cuando los objetos están casualmente en contacto. La clasificación depende del tipo de interacción, no simplemente de si en ese momento existe una separación.
Un libro apoyado sobre la Tierra sigue experimentando una fuerza de campo gravitatoria aunque, indirectamente a través del suelo y la mesa, esté sostenido por fuerzas de contacto.
04El peso es la fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra
A veces los estudiantes tratan el “peso” como una propiedad contenida dentro de un objeto. Es mejor identificar la interacción.
Cerca de la superficie terrestre, el peso de un objeto es la fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra sobre el objeto.
Su magnitud es
\[
F_g = mg
\]
donde \(F_g\) es la fuerza gravitatoria en newtons (N), \(m\) es la masa en kilogramos (kg) y \(g\) es la intensidad del campo gravitatorio en newtons por kilogramo (N kg\(^{-1}\)).
Cerca de la superficie terrestre, \(g\) es aproximadamente \(9.8\text{ N kg}^{-1}\).
Por tanto, masa y peso no son lo mismo. La masa describe cuánta inercia tiene un objeto. El peso es una fuerza que surge de la interacción gravitatoria.
Ejemplo resuelto: ¿Qué fuerzas actúan sobre un portátil estacionario?
Un portátil de \(1.6\text{ kg}\) reposa inmóvil sobre un escritorio horizontal. Identifica las fuerzas que actúan sobre el portátil, clasifica cada una como de contacto o de campo y determina sus magnitudes.
Paso 1
La Tierra interactúa gravitatoriamente con el portátil. El escritorio está en contacto con el portátil.
Por tanto, hay dos fuerzas:
- fuerza gravitatoria sobre el portátil ejercida por la Tierra,
- fuerza normal sobre el portátil ejercida por el escritorio.
Paso 2
La gravedad es una fuerza de campo.
La fuerza normal es una fuerza de contacto.
Paso 3
\[
F_g = mg = (1.6\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 15.68\text{ N}
\]
Por tanto, la fuerza gravitatoria es aproximadamente \(16\text{ N}\) hacia abajo.
Paso 4
El portátil está estacionario, por lo que su aceleración es cero. En consecuencia, la fuerza resultante debe ser cero.
La fuerza normal hacia arriba debe equilibrar la fuerza gravitatoria hacia abajo:
\[
F_N = 15.68\text{ N} \approx 16\text{ N}
\]
El escritorio ejerce sobre el portátil una fuerza normal de aproximadamente \(16\text{ N}\) hacia arriba.
Lo importante no es simplemente que haya “dos fuerzas iguales”. Son dos interacciones diferentes con dos fuentes distintas.
05No inventes una fuerza porque un objeto esté en movimiento
Supón que un disco de hockey se desliza hacia la derecha sobre hielo casi sin fricción.
¿Qué fuerza lo empuja hacia delante una vez que ha dejado de estar en contacto con el palo del jugador?
La respuesta puede ser ninguna.
Esto puede parecer extraño si mantienes la idea cotidiana de que el movimiento necesita un empuje continuo. La primera ley de Newton dice lo contrario. Se necesita una fuerza para cambiar la velocidad, no para mantener una velocidad constante.
Una vez que el palo deja de tocar el disco, el palo deja de ejercer una fuerza de contacto sobre él.
El disco puede seguir moviéndose hacia delante debido a su inercia.
En la Tierra sigue experimentando la fuerza gravitatoria de la Tierra y una fuerza normal del hielo. Si la resistencia es lo bastante pequeña como para ignorarla, puede no haber ninguna fuerza horizontal.
Esto te proporciona una prueba muy útil al identificar fuerzas:
No dibujes una fuerza simplemente porque un objeto se mueve en esa dirección. Busca un objeto real que esté interactuando con él y que pueda ejercerla.
Si no puedes nombrar la fuente, esa fuerza es sospechosa.
06Un diagrama de fuerzas debe contener únicamente las fuerzas que actúan sobre el objeto elegido
Considera una caja que una cuerda arrastra sobre un suelo rugoso.
Antes de seguir leyendo, predice las fuerzas que dibujarías sobre la caja.
Debes identificar cuatro interacciones:
- La Tierra ejerce una fuerza gravitatoria hacia abajo.
- El suelo ejerce una fuerza normal sobre la caja.
- El suelo ejerce fricción sobre la caja.
- La cuerda ejerce tensión sobre la caja.
Observa lo que falta. La caja puede ejercer fuerzas sobre la Tierra, el suelo y la cuerda, pero esas fuerzas no deben aparecer en un diagrama de fuerzas de la caja.
Un diagrama de cuerpo libre aísla un objeto y muestra únicamente las fuerzas externas que actúan sobre ese objeto.
Un formato útil para nombrar una fuerza es
\[
F_{\text{fuente sobre objeto}}
\]
Por ejemplo, \(F_{\text{Tierra sobre caja}}\) significa la fuerza ejercida por la Tierra sobre la caja.
No necesitas usar esta notación cada vez, pero pensar de esta forma hace que la identificación de fuerzas sea mucho más fiable.
Ejemplo resuelto: Un letrero suspendido del que se tira lateralmente
Un letrero de masa \(8.0\text{ kg}\) cuelga de un cable vertical. Una persona tira horizontalmente del letrero utilizando una segunda cuerda, y el letrero permanece estacionario. Identifica cada fuerza que actúa sobre el letrero, clasifícala como de contacto o de campo y halla la magnitud de la tensión del cable vertical.
Paso 1
El letrero interactúa con:
- la Tierra,
- el cable vertical,
- la cuerda horizontal.
No hay ningún suelo ni pared en contacto con el letrero, por lo que no hay ninguna fuerza normal procedente de ellos.
Paso 2
La Tierra ejerce una fuerza gravitatoria sobre el letrero. Esta es una fuerza de campo.
El cable vertical ejerce tensión sobre el letrero. Esta es una fuerza de contacto.
La cuerda horizontal también ejerce tensión sobre el letrero. Esta es una fuerza de contacto.
Paso 3
\[
F_g = mg = (8.0\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 78.4\text{ N}
\]
Paso 4
La cuerda horizontal no tiene componente vertical porque es horizontal. El letrero está estacionario, por lo que las fuerzas verticales deben equilibrarse.
Por tanto,
\[
F_{\text{cable vertical}} = 78.4\text{ N}
\]
El cable vertical ejerce una tensión de \(78.4\text{ N}\) hacia arriba.
Este ejemplo muestra por qué identificar la fuente y la dirección de cada fuerza debe hacerse antes de calcular. Si inventas una fuerza normal o consideras que el tirón de la persona es una fuerza directa sobre el letrero, el diagrama ya es incorrecto antes de que empiece cualquier cálculo.
07Contacto frente a campo no es lo mismo que empujar frente a tirar
Es tentador clasificar las fuerzas mediante el lenguaje cotidiano: las fuerzas de contacto “empujan”, mientras que las fuerzas de campo “tiran”.
Eso no funciona.
Una cuerda produce una fuerza de contacto y tira.
Una fuerza normal produce una fuerza de contacto y normalmente empuja.
La gravedad atrae.
Las fuerzas eléctricas pueden atraer o repeler.
Las interacciones magnéticas también pueden producir atracción o repulsión según el sistema.
Así que utiliza la interacción, no el verbo cotidiano:
¿Este tipo de fuerza requiere contacto físico entre los objetos que interactúan?
Si la respuesta es sí, es una fuerza de contacto. Si la respuesta es no, es una fuerza de campo.
08Un método fiable para identificar fuerzas
Cuando un problema de fuerzas se vuelva complicado, utiliza siempre la misma secuencia:
- Elige el objeto que estás analizando. No mezcles fuerzas que actúan sobre objetos diferentes.
- Enumera los objetos que interactúan con él. Busca la Tierra, superficies, cuerdas, fluidos, imanes, cargas y otros objetos en contacto.
- Nombra la fuerza producida por cada interacción. Por ejemplo, la Tierra produce fuerza gravitatoria, una superficie puede producir fuerza normal y fricción, y una cuerda produce tensión.
- Clasifica la interacción. Decide si se trata de una fuerza de contacto o una fuerza de campo.
- Comprueba la fuente. Completa la frase “fuerza sobre ___ ejercida por ___”.
- Solo entonces aplica las leyes de Newton. El diagrama de fuerzas te indica qué debe aparecer en la ecuación.
Este método es más seguro que memorizar conjuntos de flechas porque sigue funcionando en situaciones desconocidas.
09Preguntas y soluciones
Pregunta 1
Una taza permanece inmóvil sobre una mesa horizontal. Identifica todas las fuerzas que actúan sobre la taza, indica qué objeto ejerce cada fuerza y clasifica cada una como de contacto o de campo.
Solución 1
Sobre la taza actúan dos fuerzas: la fuerza gravitatoria de la Tierra y la fuerza normal de la mesa.
La Tierra ejerce una fuerza gravitatoria hacia abajo sobre la taza. La gravedad es una fuerza de campo porque la interacción gravitatoria no requiere contacto físico.
La mesa ejerce una fuerza normal hacia arriba sobre la taza. La fuerza normal es una fuerza de contacto porque existe debido al contacto entre la taza y la mesa.
Como la taza está estacionaria, su aceleración es cero, de modo que estas dos fuerzas tienen igual magnitud y direcciones opuestas.
Un error habitual es añadir por separado una “fuerza de peso” y una “fuerza de gravedad”. En este caso no son dos fuerzas distintas. El peso de la taza es la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre ella.
Pregunta 2
Un ciclista se desplaza hacia delante por una carretera horizontal sin derrapar. En un instante determinado, el neumático trasero empuja hacia atrás contra la carretera. ¿Qué fuerza horizontal ejerce la carretera sobre el neumático trasero, qué tipo de fuerza es y por qué puede apuntar en la misma dirección que el movimiento del ciclista?
Solución 2
La carretera ejerce una fuerza de fricción estática hacia delante sobre el neumático trasero, y es una fuerza de contacto.
El neumático empuja hacia atrás contra la carretera en su punto de contacto. La carretera ejerce sobre el neumático una fuerza correspondiente dirigida hacia delante.
Esta fuerza es fricción estática porque el neumático rueda sin deslizar en el punto de contacto.
La fricción no se opone automáticamente al movimiento del objeto completo. Se opone al deslizamiento relativo, o a la tendencia a deslizar, entre las superficies. En este caso, el neumático tendería a empujar hacia atrás sobre la carretera, por lo que la fuerza de fricción ejercida por la carretera sobre el neumático apunta hacia delante.
El error tentador es decir: “El ciclista se mueve hacia delante, así que la fricción debe apuntar hacia atrás”. Esa regla falla porque ignora la interacción entre las dos superficies.
Pregunta 3
Un paquete de \(3.5\text{ kg}\) cuelga inmóvil de una cuerda vertical ligera dentro de un ascensor estacionario. Identifica las fuerzas que actúan sobre el paquete, clasifica cada una y calcula la tensión de la cuerda. Usa \(g = 9.8\text{ N kg}^{-1}\).
Solución 3
El paquete experimenta una fuerza gravitatoria de \(34.3\text{ N}\) hacia abajo y una fuerza de tensión de \(34.3\text{ N}\) hacia arriba. La gravedad es una fuerza de campo, mientras que la tensión es una fuerza de contacto.
La Tierra ejerce la fuerza gravitatoria:
\[
F_g = mg = (3.5\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 34.3\text{ N}
\]
La cuerda ejerce tensión hacia arriba sobre el paquete.
Como el paquete está estacionario, su aceleración es cero. Por tanto, la fuerza resultante es cero:
\[
F_T – F_g = 0
\]
por lo que
\[
F_T = 34.3\text{ N}
\]
El resultado significa que el tirón hacia arriba de la cuerda equilibra exactamente la fuerza gravitatoria hacia abajo de la Tierra.
No hay fuerza normal sobre el paquete porque no está apoyado contra ninguna superficie. El hecho de que el paquete esté dentro de un ascensor no significa automáticamente que “el ascensor” ejerza una fuerza sobre él. Solo los objetos que realmente interactúan con el paquete deben aparecer en su diagrama de fuerzas.
Pregunta 4
Una pequeña bola de acero cuelga de un hilo. Se acerca un imán potente a la bola sin tocarla, haciendo que el hilo se incline hacia el imán. Un estudiante dice: “La fuerza magnética debe ser una fuerza de contacto porque la bola acaba acercándose y podría tocar el imán”.
¿Tiene razón el estudiante? Identifica las fuerzas que actúan sobre la bola antes de que toque el imán y clasifica cada una.
Solución 4
El estudiante no tiene razón. La fuerza magnética es una fuerza de campo porque actúa mientras el imán y la bola están separados.
Antes de que la bola toque el imán, pueden actuar sobre ella tres fuerzas:
- La Tierra ejerce una fuerza gravitatoria hacia abajo. Esta es una fuerza de campo.
- El hilo ejerce tensión a lo largo del hilo. Esta es una fuerza de contacto.
- El imán ejerce una fuerza magnética dirigida hacia el imán. Esta es una fuerza de campo.
La clasificación depende de la naturaleza de la interacción, no de lo que pueda ocurrir después. La observación de que la bola empieza a acelerar mientras todavía existe una separación es evidencia directa de que no se requiere contacto físico para la interacción magnética.
Si la bola toca posteriormente el imán, puede aparecer una fuerza de contacto adicional entre sus superficies. Eso no convierte la propia interacción magnética en una fuerza de contacto.
Pregunta 5
Una nave espacial lejos de los planetas enciende su motor durante varios segundos y después lo apaga. Ignora las fuerzas gravitatorias de objetos lejanos y las colisiones con partículas.
Después de apagar el motor, la nave espacial continúa moviéndose hacia la derecha a velocidad constante.
Un estudiante dibuja una “fuerza de movimiento” hacia la derecha sobre la nave espacial porque esta sigue desplazándose hacia la derecha. Explica si esa fuerza debería aparecer. Después, identifica qué revela esta situación sobre la relación entre fuerzas y movimiento.
Solución 5
La “fuerza de movimiento” hacia la derecha no debería aparecer porque, una vez apagado el motor, no hay ningún objeto identificado que ejerza esa fuerza sobre la nave espacial.
Mientras el motor está funcionando, el material expulsado interactúa con la nave espacial y produce empuje. Una vez que esa interacción deja de producir empuje, no hay motivo para mantener una fuerza hacia delante en el diagrama simplemente porque la nave espacial siga en movimiento.
Con las suposiciones indicadas, la fuerza resultante después del apagado es cero:
\[
\sum F = 0
\]
La primera ley de Newton predice entonces una velocidad constante. La nave espacial continúa desplazándose hacia la derecha sin necesitar una fuerza continua hacia la derecha.
La trampa consiste en confundir velocidad con fuerza. Una fuerza está asociada a la aceleración, lo que significa un cambio de velocidad. Un objeto puede tener una velocidad distinta de cero mientras la fuerza resultante sobre él es cero.
Por eso identificar el objeto que ejerce cada fuerza es más que un simple ejercicio de etiquetado. Evita que inventes fuerzas para hacerlas coincidir con el movimiento que observas.
Una vez que puedas identificar de forma fiable las fuerzas de contacto y de campo y nombrar sus fuentes, el siguiente paso es combinar esas fuerzas para obtener una fuerza resultante. Es ahí donde los diagramas de fuerzas se conectan directamente con las leyes de Newton: las interacciones te indican qué fuerzas existen, y la resultante de esas fuerzas te indica cómo cambiará la velocidad del objeto.