Cómo calcular la fuerza de contacto

Contenido

• Paso 1: determinar la fuerza de fricción
• Paso 2: determinar la fuerza normal
• Paso 3: aplique el teorema de Pitágoras para determinar la magnitud de la fuerza de contacto general

La fuerza, como concepto de física, se describe en la segunda ley de Newton, que establece que la aceleración se produce cuando una fuerza actúa sobre una masa. Matemáticamente, esto significa F = ma, aunque es importante tener en cuenta que la aceleración y la fuerza son cantidades vectoriales (es decir, tienen una magnitud y una dirección en el espacio tridimensional), mientras que la masa es una cantidad escalar (es decir, tiene una magnitud solamente). En unidades estándar, la fuerza tiene unidades de Newtons (N), la masa se mide en kilogramos (kg) y la aceleración se mide en metros por segundo al cuadrado (m / s²).

Algunas fuerzas son fuerzas sin contacto, lo que significa que actúan sin que los objetos que los experimentan estén en contacto directo entre sí. Estas fuerzas incluyen la gravedad, la fuerza electromagnética y las fuerzas internucleares. Las fuerzas de contacto, por otro lado, requieren que los objetos se toquen entre sí, ya sea por un mero instante (como una pelota golpeando y rebotando contra una pared) o durante un período prolongado (como una persona que rueda una llanta cuesta arriba) .

En la mayoría de los contras, la fuerza de contacto ejercida sobre un objeto en movimiento es la suma vectorial de las fuerzas normales y de fricción. La fuerza de fricción actúa exactamente opuesta a las direcciones de movimiento, mientras que la fuerza normal actúa perpendicular a esta dirección si el objeto se mueve horizontalmente con respecto a la gravedad.

Paso 1: determinar la fuerza de fricción

Esta fuerza es igual a la coeficiente de fricción μ entre el objeto y la superficie multiplicado por el peso del objeto, que es su masa multiplicada por la gravedad. Así F_F = μmg. Encuentre el valor de μ buscándolo en un gráfico en línea como el de Engineers Edge. Nota: Algunas veces necesitará usar el coeficiente de fricción cinética y otras veces necesitará conocer el coeficiente de fricción estática.

Suponga por este problema que F_F = 5 Newtons.

Paso 2: determinar la fuerza normal

Esta fuerza, F_norte, es simplemente la masa de los objetos multiplicada por la aceleración debido a la gravedad multiplicada por el seno del ángulo entre la dirección del movimiento y el vector de gravedad vertical g, que tiene un valor de 9.8 m / s². Para este problema, suponga que el objeto se mueve horizontalmente, por lo que el ángulo entre la dirección del movimiento y la gravedad es de 90 grados, que tiene un seno de 1. Por lo tanto, F_norte = mg para los fines presentes. (Si el objeto se deslizara por una rampa orientada a 30 grados con respecto a la horizontal, la fuerza normal sería mg × sin (90 - 30) = mg × sin 60 = mg × 0.866.)

Para este problema, suponga una masa de 10 kg. F_norte es por lo tanto 10 kg × 9.8 m / s² = 98 Newtons.

Paso 3: aplique el teorema de Pitágoras para determinar la magnitud de la fuerza de contacto general

Si te imaginas la fuerza normal F_norte actuando hacia abajo y la fuerza de fricción F_F actuando horizontalmente, la suma vectorial es la hipotenusa que completa un triángulo rectángulo que une estos vectores de fuerza. Su magnitud es así:

(F_norte² + F_F²)^(1/2) ,

que para este problema es

(15² + 98²) ^(1/2)

= (225 + 9,604)^(1/2)

= 99,14 N.