Unidad 2 · Fuerza
Tipos de fuerza: peso, normal, roce y tensión
Un libro descansa sobre tu mesa. Aunque parezca que no pasa nada, sobre él actúan al menos dos fuerzas: la Tierra lo atrae hacia abajo y la mesa lo empuja hacia arriba. En cada escena cotidiana —caminar, colgar una lámpara, frenar una bicicleta— se reparte un puñado de fuerzas con nombre propio. Aprender a reconocerlas es el primer paso para dibujar un diagrama de cuerpo libre.
En el tema anterior vimos qué es una fuerza: una interacción entre cuerpos que tiene magnitud, dirección y sentido, y que se mide en newton (N). Ahora vamos a ponerle nombre y apellido a las fuerzas que aparecen una y otra vez cuando estudiamos objetos reales. Casi todos los problemas de mecánica de este curso se arman combinando solo cuatro: peso, fuerza normal, roce y tensión.
Una distinción útil antes de empezar: algunas fuerzas necesitan que dos cuerpos se toquen (son fuerzas de contacto) y otras actúan aunque no haya contacto (son fuerzas a distancia). La normal, el roce y la tensión son de contacto; el peso, en cambio, es una fuerza a distancia: la Tierra atrae al cuerpo sin tocarlo.
El peso: la Tierra tira de todo hacia abajo
El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo por efecto de la gravedad. Apunta siempre hacia abajo, es decir, hacia el centro de la Tierra, y está presente lo tengamos apoyado, colgando o cayendo. Su magnitud se calcula multiplicando la masa del cuerpo por la aceleración de gravedad:
P = m · g
donde m es la masa en kilogramos y g es la aceleración de gravedad. En la superficie terrestre g ≈ 10 m/s² (su valor más preciso es 9,8 m/s², pero para calcular sin calculadora usaremos 10). Como el peso es una fuerza, se expresa en newton, no en kilogramos.
Ejemplo resuelto: el peso de una mochila
Una mochila tiene una masa de m = 5 kg. ¿Cuál es su peso en la superficie de la Tierra?
P = m · g = 5 kg · 10 m/s² = 50 N
La mochila pesa 50 N. Fíjate en que su masa es 5 kg, pero su peso es 50 N: son dos cantidades distintas, con distintas unidades.
Peso no es lo mismo que masa
Este es uno de los puntos que más se confunden, y conviene fijarlo bien. La masa mide la cantidad de materia de un cuerpo; es una propiedad intrínseca que no cambia aunque lo lleves a la Luna, a Marte o al espacio. El peso, en cambio, es una fuerza: depende del valor local de la gravedad, así que el mismo cuerpo pesa distinto en distintos lugares.
| Magnitud | Qué mide | Unidad | ¿Cambia con el lugar? |
|---|---|---|---|
| Masa | Cantidad de materia | kilogramo (kg) | No: es la misma en todo el universo |
| Peso | Fuerza gravitatoria | newton (N) | Sí: depende del valor local de g |
Tomemos la mochila de 5 kg del ejemplo y comparemos su peso en tres lugares. En la Luna la gravedad es mucho más débil: g ≈ 1,6 m/s².
| Lugar | g (m/s²) | Masa (kg) | Peso = m·g (N) |
|---|---|---|---|
| Tierra | 10 | 5 | 50 |
| Luna | 1,6 | 5 | 8 |
La masa se mantiene en 5 kg en ambos lugares, pero el peso baja de 50 N a solo 8 N: en la Luna la mochila pesa poco más de la sexta parte que en la Tierra. Por eso los astronautas dan esos saltos tan largos.
La fuerza normal: la superficie empuja de vuelta
Si el peso empuja al libro hacia abajo, ¿por qué el libro no atraviesa la mesa y cae al suelo? Porque la mesa lo empuja de vuelta. Esa fuerza que una superficie de apoyo ejerce sobre el cuerpo que descansa en ella se llama fuerza normal. La palabra «normal» aquí es un término geométrico: significa perpendicular. La fuerza normal siempre es perpendicular a la superficie de contacto.
Sobre una mesa horizontal, la superficie es horizontal, así que su perpendicular apunta verticalmente hacia arriba. Como el libro está en reposo, la normal y el peso se equilibran: tienen igual magnitud y sentidos opuestos.
Ejemplo resuelto: la normal sobre un libro
Un libro de m = 2 kg descansa en reposo sobre una mesa horizontal. ¿Cuánto vale la fuerza normal?
Primero el peso: P = 2 kg · 10 m/s² = 20 N. Como el libro está en reposo sobre una mesa horizontal y no hay otras fuerzas verticales, la normal debe equilibrar al peso:
N = P = 20 N
Ahora bien, cuidado con generalizar. La normal iguala al peso solo en este caso particular: superficie horizontal, sin fuerzas verticales extra. Si empujas el libro hacia abajo con la mano, o si la superficie está inclinada, la normal ya no vale lo mismo que el peso.
Cuando la superficie está inclinada
La normal es perpendicular a la superficie, no al suelo. En una rampa inclinada, la superficie de contacto está inclinada, así que la normal también sale inclinada: no apunta verticalmente hacia arriba, y su magnitud resulta menor que el peso.
El roce: la fuerza que se opone al deslizamiento
Empuja un libro pesado sobre la mesa: al principio no se mueve, y cuando por fin desliza, tienes que seguir empujando para que no se detenga. Lo que se opone a ese deslizamiento es el roce (o fricción), una fuerza de contacto que aparece entre dos superficies y que siempre apunta en contra del movimiento (o del intento de movimiento).
El roce tiene dos «versiones», según si el cuerpo ya se mueve o todavía no:
- Roce estático: actúa mientras el cuerpo aún no se mueve. Se ajusta exactamente a la fuerza que aplicas para impedir que arranque, y puede crecer hasta un valor máximo. Mientras no superes ese máximo, el cuerpo se queda quieto.
- Roce cinético (o dinámico): actúa una vez que el cuerpo ya está deslizando. Es aproximadamente constante y, para un mismo par de superficies, resulta menor que el roce estático máximo. Por eso cuesta más «arrancar» un mueble que mantenerlo en movimiento.
El roce no siempre es el enemigo
Es tentador pensar que el roce solo estorba —desgasta las piezas, frena lo que queremos mover, obliga a gastar más energía—. Y a veces es así. Pero el roce también trabaja a nuestro favor todo el tiempo:
- Caminar: tu pie empuja el suelo hacia atrás y el roce lo empuja a ti hacia adelante. Sobre hielo, sin roce, resbalarías sin avanzar.
- Frenar: los frenos de una bicicleta o un auto funcionan por roce entre la pastilla y la rueda o el disco.
- Sujetar: tomar un vaso, escribir con un lápiz o que un nudo no se suelte dependen del roce.
- Paracaidismo: el roce del aire (resistencia) frena la caída y hace que el paracaídas funcione.
La tensión: la fuerza que viaja por una cuerda
Cuelga una lámpara del techo con un cable. El peso tira de la lámpara hacia abajo, pero la lámpara no cae: el cable la sostiene. La fuerza que se transmite a lo largo de una cuerda, hilo o cable tenso, tirando de los cuerpos unidos a sus extremos, se llama tensión.
Una cuerda solo puede tirar, no empujar. Por eso la tensión sobre un cuerpo colgante apunta a lo largo de la cuerda, alejándose del cuerpo, hacia el punto de sujeción.
Ejemplo resuelto: una lámpara colgante
Una lámpara de m = 3 kg cuelga en reposo de un cable. ¿Cuál es la tensión del cable?
El peso de la lámpara es P = 3 kg · 10 m/s² = 30 N. Como la lámpara está en equilibrio (no se mueve), la tensión debe equilibrar al peso:
T = P = 30 N
El cable soporta una tensión de 30 N. Si el cable resistiera menos que eso, se cortaría y la lámpara caería.
Las cuatro fuerzas de un vistazo
Reunamos todo en una tabla. Cuando dibujes un diagrama de cuerpo libre, esta será tu lista de sospechosas habituales: pregúntate cuáles actúan sobre el cuerpo y en qué dirección va cada una.
| Fuerza | Símbolo | Dirección | Tipo |
|---|---|---|---|
| Peso | P | Vertical, hacia abajo (al centro de la Tierra) | A distancia (gravedad) |
| Normal | N | Perpendicular a la superficie de apoyo | De contacto |
| Roce | f | Paralela a la superficie, opuesta al movimiento | De contacto |
| Tensión | T | A lo largo de la cuerda, siempre tirando | De contacto |
Estas fuerzas casi nunca aparecen solas: se combinan. Un libro sobre una mesa tiene peso y normal; una caja que empujas por el suelo suma también el roce; un cuerpo colgante combina peso y tensión. Sumar todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo nos dará la fuerza neta, y esa fuerza neta es la que decide, según las leyes de Newton, cómo se moverá el cuerpo.