FUERZAS ELÁSTICAS
Fuerzas intermoleculares
Las Fuerzas Intermoleculares, son fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas. El comportamiento molecular depende en gran medida del equilibrio (o falta de él) de las fuerzas que unen o separan las moléculas.
Las fuerzas de atracción explican la cohesión de las moléculas en los estados liquido y sólido de la materia, y se llaman fuerzas de largo alcance o Fuerzas de Van der Waals en honor al físico holandés Johannes van der Waals. Estas fuerzas son las responsables de muchos fenómenos físicos y químicos como la adhesión, rozamiento, difusión, tensión superficial y la viscosidad.
Ley de Hooke
Cuando un objeto se somete a fuerzas externas, sufre cambios de tamaño o de forma, o de ambos. Esos cambios dependen del arreglo de los átomos y su enlace en el material.
Veamos la siguiente gráfica:
Muestra el aumento de longitud (alargamiento) de un alambre elástico a medida que aumenta la fuerza ejercida sobre el mismo. En la parte lineal de la gráfica, la longitud aumenta 10 mm por cada newton (N) adicional de fuerza aplicada. El cambio de longitud (deformación) es proporcional a la fuerza (tensión), una relación conocida como ley de Hooke. El alambre empieza a estirarse desproporcionadamente para una fuerza aplicada superior a 8 N, que es el límite de elasticidad del alambre. Cuando se supera este límite, el alambre reduce su longitud al dejar de aplicar la fuerza, pero ya no recupera su longitud original.
Tensión de una cuerda
Tomemos una cuerda fija en B y del otro extremo A halemos con una fuerza F
Como las moléculas de la cuerda se separaron, la fuerza de restitución, llamada tensión, se opondrá a la fuerza F. Notamos que en A, la tensión \(T_1\) está dirigida de A hacia B.
En un punto cualquiera M de la cuerda, la parte MA produce una tensión \(T_2\) dirigida de M hacia \(A\), y la otra parte \(MB\) produce una tensión \(T_3\). En \(B\) la tensión \(T_4\) producida por todas las moléculas de la cuerda esta dirigida de B hacia A.
Fuerza Normal
Consideremos un cuerpo sobre una superficie plana, las moléculas comprimidas de la superficie producen sobre el cuerpo una fuerza elástica dirigida de la superficie hacia el cuerpo y normal a la superficie y que denominaremos fuerza normal.
Rozamiento
Consideremos de nuevo, un cuerpo sobre una superficie plana. Esta produce sobre el cuerpo una fuerza normal N.
Apliquemos al cuerpo una fuerza horizontal \(F\). Si esta fuerza es pequeña, el cuerpo no se mueve debido a que una fuerza \(F_s\), que llamamos de rozamiento estático y producido por las fuerzas moleculares de la superficie sobre el cuerpo, la contrarresta. La experiencia muestra que esta fuerza crece hasta cierto límite proporcional a la fuerza normal o sea:
\(f_s\leq\mu_sN\)
Denominaremos \(\mu_s\) el coeficiente estático de rozamiento.
Durante le movimiento, la fuerza de rozamiento, que llamamos ahora dinámica, opuesta la movimiento, se mantienen constante y proporcional a la fuerza normal, o sea
\(f_d=\mu_dN\)
Siendo \(\mu_d\) el coeficiente dinámico de rozamiento.
Estas relaciones empíricas son aproximadamente independientes del área de contacto y de la velocidad del cuerpo.
Ejemplo 1:
Una superficie de coeficiente estático de rozamiento 0.3 y de coeficiente dinámico de rozamiento 0.2, produce sobren un cuerpo una fuerza normal de 20 Kg-f
· ¿Cuál es la fuerza de rozamiento estática máxima que puede actuar sobre el cuerpo?
\(f_s=\mu_s N=0.3*20=6Kg-f\)
· ¿Cuál es la fuerza de rozamiento dinámica que puede actuar sobre el cuerpo?
\(f_d=\mu_d N=0.2*20=4Kg-f\)
Ejemplo 2:
Un resorte tiene una fuerza de restitución de 30 Kg-f cuando se alarga 6 cm.
· ¿Cuál es la constante del resorte?
La variación en el resorte \(\Delta x\) es 6 cm
\(k=\frac{F}{x}=\frac{30}{6}=5Kg-f/cm\) (\(k\) es siempre positiva)
· ¿Cuál es el alargamiento del resorte si la fuerza de restitución es 40 Kg-f?
\(x=\frac{F}{k}=\frac{40}{5}=8 cm\)
· La fuerza de restitución anterior es igual a la fuerza de rozamiento dinámica que una superficie de coeficiente de rozamiento dinámico 0.5 produce sobre un cuerpo. ¿Cuál es la fuerza normal que la superficie produce sobre el cuerpo?
\(F=f_d=\mu_dN\)
\(N=\frac{40}{0.5}=80Kg-f\)
PREGUNTA: Un ejemplo típico de fuerza elástica se genera en: