FUERZAS Y FANTASMAS Prof. Omar Contreras Las Fuerzas se producen por la interacción de dos cuerpos. Es importante identificar el cuerpo que produce la fuerza, ya que en dicho cuerpo se aplica la reacción que menciona la tercera ley de Newton. Por ejemplo: El Peso lo produce La Tierra y cada cuerpo atrae a La Tierra con una fuerza igual a su peso. En el caso de un bloque sobre un plano inclinado, La Normal la produce el plano y el bloque le produce al plano la misma fuerza normal pero con sentido contrario. Dos cuerpos unidos mediante una cuerda de masa despreciable interactúan con Tensiones iguales y de sentidos contrarios, usando la cuerda como medio transmisor de la Tensión. Como un ejemplo más elaborado consideremos un péndulo en equilibrio, dentro de un vagón acelerado. Debido a a la aceleración/Tensión que la cuerda transmite desde el techo del vagón, la cuerda forma un ángulo con la vertical, como se presenta en el siguiente dibujo:1 Un diagrama de las fuerzas que actúan sobre la masa del péndulo se indica a continuación, donde también se incluye entre paréntesis el cuerpo responsable de la fuerza: T De este diagrama de cuerpo aislado vemos que la (VAGÓN) componente vertical de la Tensión se encarga de cancelar el peso para que no haya movimiento vertical y la componente horizontal de la Tensión se encarga de mg (TIERRA) producirle la aceleración a que tienen el péndulo y el vagón: T sen = m a. 1 En este punto es conveniente plantear la siguiente pregunta a los alumnos: ¿Cuándo un carro acelera hacia delante, uno se va hacia delante o hacia atrás? Normalmente todos los alumnos responden que uno se va hacia atrás. En ese caso se plantea el siguiente argumento: Eso quiere decir que cuando un carro arranca, el carro se va hacia delante y las personas se quedan tiradas hacia atrás en la calle… Si ahora observamos el péndulo desde adentro del vagón, como también nos estamos moviendo con la aceleración a, veremos al péndulo quieto, su aceleración es cero. Pero en el diagrama de fuerzas (si queremos conservar la segunda ley de Newton) dos fuerzas se anulan si son colineales. Para que la fuerza total sea cero debemos incluir otra fuerza, como se indica en el siguiente diagrama, cuyo módulo coincida con la componente horizontal de la Tensión: T -ma (?) Sin embargo, a la hora de ajustar la tercera ley de (VAGÓN) Newton nos encontramos que no existe ningún cuerpo responsable de esta fuerza. Sólo aparece por habernos montado en un sistema acelerado ( no inercial ). mg (TIERRA) Similarmente cuando un carro toma una curva, la aceleración necesaria para no seguir en línea recta usualmente la suministra la fuerza de apoyo estático entre los cauchos y el piso o, si la carretera tiene peralte, también ayuda la componente en dirección radial de la Normal ( Cuando por razones de diseño el peralte está al contrario, la normal desayuda ). Las personas y objetos dentro del carro también necesitan una fuerza centrípeta para dar la curva. Usualmente el roce con el asiento es suficiente, a menos que la velocidad del carro sea muy grande o el radio de curvatura muy pequeño. En ese caso el roce no es suficientemente grande para que los objetos puedan seguir la curva y se ruedan hasta que la puerta les aplica una normal que suministra la fuerza centrípeta necesaria para seguir la curva. Si en ese momento la puerta se abre, se acaba la fuerza centrípeta y las personas/objetos se salen del carro. Si ahora analizamos las fuerzas desde adentro del carro nos encontramos la misma situación del vagón. Los objetos están en reposo pero existe una fuerza centrípeta. La única manera de mantener válida la segunda ley es inventar una fuerza de igual magnitud que la centrípeta pero que apunte hacia fuera, es decir la fuerza centrífuga. De nuevo, no existe ningún objeto responsable de dicha fuerza centrífuga. PREGUNTA: Cuando el tambor de una lavadora gira en el ciclo de exprimir ¿Qué fuerza empuja la ropa hasta el tambor? RESPUESTA: La Fuerza Centrífuga. COMENTARIO: Respuesta equivocada. La fuerza centrífuga no existe a menos que te metas en el tambor de la lavadora. El roce viscoso del agua no es suficiente como fuerza centrípeta y no hace girar a la ropa en círculos. La ropa se mueve por el roce viscoso hasta que llega a las paredes del tambor. Igual como los objetos del carro. PREGUNTA: ¿Por qué la atracción gravitatoria no hace que la Luna caiga sobre la Tierra? RESPUESTA: La Fuerza de atracción funciona como fuerza centrípeta y es anulada por la fuerza centrífuga. COMENTARIO: Respuesta equivocada. La fuerza centrífuga solo existe cuando vayas a la luna y la veas quieta. Desde la Tierra la Luna da vueltas y si se anularan las fuerzas, la Luna se movería en línea recta. La Luna no se cae de la misma manera que en una piedra atada a un hilo que se hace girar con la mano, la tensión no hace que la piedra se vaya hacia la mano, sino que cambia la dirección del vector velocidad para que pueda girar. El planteamiento es equivalente a preguntar por qué una piedra lanzada horizontalmente no cae directo hacia abajo; de la misma manera la velocidad ( inicial ) de la luna no deja que caiga directamente hacia la tierra. Estas fuerzas que aparecen solamente por montarse en sistemas no inerciales son llamadas por diversos autores fuerzas ficticias, pseudo-fuerzas, fuerzas no inerciales, fuerzas inerciales, etc. Quizás por no ser producidas por entes que existan podrían llamarse fuerzas fantasmales.