Lafuerza netaes la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. (Recuerde que una fuerza es un empujón o un tirón). La unidad SI para la fuerza es el newton (N), donde 1 N = 1 kgm / s2.
\ bold {F_ {net}} = \ bold {F_1 + F_2 + F_3 + ...}
La primera ley de Newton establece que un objeto que experimenta un movimiento uniforme, es decir, que está en reposo o se mueve con velocidad constante, continuará haciéndolo a menos que actúe una fuerza neta distinta de cero. La segunda ley de Newton nos dice explícitamente cómo cambiará el movimiento como resultado de esta fuerza neta:
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a}
La aceleración (cambio de velocidad a lo largo del tiempo) es directamente proporcional a la fuerza neta. Tenga en cuenta también que tanto la aceleración como la fuerza neta son cantidades vectoriales que apuntan en la misma dirección.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
¡Una fuerza neta de cero NO significa necesariamente que el objeto esté detenido! Una fuerza neta de cero tampoco significa que no haya fuerzas actuando sobre un objeto, ya que es posible que múltiples fuerzas actúen de tal manera que se cancelen entre sí.
Diagramas de cuerpo libre
El primer paso para encontrar la fuerza neta sobre cualquier objeto es dibujar unadiagrama de cuerpo libre(DCL) que muestra todas las fuerzas que actúan sobre ese objeto. Esto se hace representando cada vector de fuerza como una flecha que se origina en el centro del objeto y apunta en la dirección en la que actúa la fuerza.
Por ejemplo, supongamos que hay un libro sobre una mesa. Las fuerzas que actúan sobre él serían la fuerza de gravedad sobre el libro, actuando hacia abajo, y la fuerza normal de la mesa sobre el libro, actuando hacia arriba. El diagrama de cuerpo libre de este escenario constaría de dos flechas de igual longitud que se originan en el centro del libro, una apuntando hacia arriba y la otra apuntando hacia abajo.
Suponga que el mismo libro se empuja hacia la derecha con una fuerza de 5 N mientras que una fuerza de fricción de 3 N se opone al movimiento. Ahora, el diagrama de cuerpo libre incluiría una flecha de 5 N a la derecha y una flecha de 3 N a la izquierda.
Finalmente, suponga que el mismo libro está inclinado, deslizándose hacia abajo. En este escenario, las tres fuerzas son la fuerza gravitacional en el libro, que apunta hacia abajo; la fuerza normal sobre el libro, que apunta perpendicular a la superficie; y la fuerza de fricción, que apunta en dirección opuesta a la del movimiento.
Calcular la fuerza neta
Una vez que haya dibujado el diagrama de cuerpo libre, puede usar la suma de vectores para encontrar la fuerza neta que actúa sobre el objeto. Consideraremos tres casos mientras exploramos esta idea:
Caso 1: Todas las fuerzas se encuentran en la misma línea.
Si todas las fuerzas se encuentran en la misma línea (apuntando solo a la izquierda y derecha, o solo hacia arriba y hacia abajo, por ejemplo), la determinación de la fuerza neta es como sencillo como sumar las magnitudes de las fuerzas en la dirección positiva y restar las magnitudes de las fuerzas en la dirección negativa dirección. (Si dos fuerzas son iguales y opuestas, como es el caso del libro que descansa sobre la mesa, la fuerza neta = 0)
Ejemplo:Considere una bola de 1 kg que cae debido a la gravedad, experimentando una fuerza de resistencia del aire de 5 N. Tiene una fuerza descendente debido a la gravedad de 1 kg × 9,8 m / s2 = 9,8 N, y una fuerza ascendente de 5 N. Si usamos la convención de que hacia arriba es positivo, entonces la fuerza neta es 5 N - 9,8 N = -4,8 N, lo que indica una fuerza neta de 4,8 N en la dirección hacia abajo.
Caso 2: Todas las fuerzas se encuentran en ejes perpendiculares y se suman a 0 a lo largo de un eje.
En este caso, debido a que las fuerzas se suman a 0 en una dirección, solo necesitamos enfocarnos en la dirección perpendicular al determinar la fuerza neta. (Aunque el conocimiento de que las fuerzas en la primera dirección se suman a 0 a veces puede darnos información sobre la fuerzas en la dirección perpendicular, como cuando se determinan las fuerzas de fricción en términos de la fuerza normal magnitud.)
Ejemplo:Un automóvil de juguete de 0.25 kg se empuja por el piso con una fuerza de 3 N que actúa hacia la derecha. Una fuerza de fricción de 2 N actúa para oponerse a este movimiento. Tenga en cuenta que la gravedad también actúa hacia abajo en este automóvil con una fuerza de 0.25 kg × 9.8 m / s2= 2,45 N, y una fuerza normal actúa hacia arriba, también con 2,45 N.(¿Cómo sabemos esto? Debido a que no hay ningún cambio en el movimiento en la dirección vertical cuando el automóvil es empujado por el piso, la fuerza neta en la dirección vertical debe ser 0.)Esto hace que todo se simplifique al caso unidimensional porque las únicas fuerzas que no se cancelan son todas a lo largo de una dirección. La fuerza neta sobre el automóvil es entonces 3 N - 2 N = 1 N hacia la derecha.
Caso 3: Todas las fuerzas no se limitan a una línea y no descansan sobre ejes perpendiculares.
Si sabemos en qué dirección estará la aceleración, elegiremos un sistema de coordenadas en el que esa dirección se encuentre en el eje x positivo o en el eje y positivo. A partir de ahí, dividimos cada vector de fuerza en componentes xey. Dado que el movimiento en una dirección es constante, la suma de las fuerzas en esa dirección debe ser 0. Las fuerzas en la otra dirección son entonces las únicas que contribuyen a la fuerza neta y este caso se ha reducido al Caso 2.
Si no sabemos en qué dirección estará la aceleración, podemos elegir cualquier coordenada cartesiana sistema, aunque suele ser más conveniente elegir uno en el que una o más de las fuerzas se encuentran en un eje. Divida cada vector de fuerza en componentes x e y. Determine la fuerza neta en elXdirección y la fuerza neta en elydirección por separado. El resultado da las coordenadas xey de la fuerza neta.
Ejemplo:Un automóvil de 0,25 kg rueda sin fricción por una pendiente de 30 grados debido a la gravedad.
Usaremos un sistema de coordenadas alineado con la rampa como se muestra. El diagrama de cuerpo libre consta de la gravedad que actúa directamente hacia abajo y la fuerza normal que actúa perpendicular a la superficie.
Debemos descomponer la fuerza gravitacional en componentes xey, lo que da:
F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) \\ F_ {gy} = F_g \ cos (\ theta)
Dado que el movimiento en elydirección es constante, sabemos que la fuerza neta en elyla dirección debe ser 0:
F_N - F_ {gy} = 0
(Nota: esta ecuación nos permite determinar la magnitud de la fuerza normal).
En la dirección x, la única fuerza esFgx, por eso:
F_ {net} = F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) = mg \ sin (\ theta) = 0.25 \ times9.8 \ times \ sin (30) = 1.23 \ text {N}
Cómo encontrar la aceleración de Net Force
Una vez que haya determinado su vector de fuerza neta, encontrar la aceleración de un objeto es una simple aplicación de la segunda ley de Newton.
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a} \ implica \ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m}
En el ejemplo anterior del automóvil de 0.25 kg rodando por la rampa, la fuerza neta fue 1.23 N hacia abajo por la rampa, por lo que la aceleración sería:
\ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m} = \ frac {1.23} {0.25} = 4.92 \ text {m / s} ^ 2 \ text {por la rampa}