Page 157 - Física Tippens: Conceptos y Aplicaciones, Séptima Edición Revisada
P. 157
138 Capítulo 7 Segunda ley de Newton
Objetivos
C uando term ine de estudiar este capítulo el alum no:
1. Describirá la relación entre fuerza, masa y aceleración, e indicará las unidades
congruentes para cada una de esas variables en el sistema m étrico y en los
sistemas de unidades usuales de Estados Unidos.
2. Definirá las unidades newton y slug, y explicará p or qué son unidades deriva
das y no fundam entales.
3. Dem ostrará m ediante definiciones y ejem plos su com prensión de la diferencia
entre masa y peso.
4. D eterm inará la masa a partir del peso, y el peso a partir de la masa en un lugar
don de se conozca la aceleración debida a la gravedad.
5. Dibujará un diagram a de cuerpo libre para objetos en m ovim iento con acele
ración constante, estableciendo que la fuerza resultante es igual a la masa total
m ultiplicada p or la aceleración, y calculará los parám etros desconocidos.
De acuerdo con la primera ley de Newton sobre el movimiento, un objeto sufrirá un cam
bio en su estado de movimiento o de reposo únicamente cuando actúe sobre él una fuerza
resultante, no equilibrada. Ahora sabemos que un cambio en el movimiento, por ejemplo un
cambio en la rapidez, da por resultado una aceleración. En múltiples aplicaciones industriales
necesitamos predecir la aceleración que se producirá mediante una determinada fuerza. Por
ejemplo, la fuerza hacia adelante que se requiere para acelerar un automóvil en reposo, hasta
una rapidez de 60 km/h en 8 s es algo que interesa a la industria automotriz. En este capítulo
se estudiarán las relaciones entre fuerza, masa y aceleración.
Segunda ley de Newton sobre el movimiento
Antes de estudiar formalmente la relación entre una fuerza resultante y la aceleración, con
sideraremos primero un experimento sencillo. Una pista lineal de aire es un aparato para
estudiar el movimiento de objetos en condiciones que se aproximan a una fricción de cero.
Cientos de pequeños chorros de aire originan una fuerza ascendente que equilibra el peso
del deslizador, como se muestra en la figura 7.1. Se ata un hilo al frente del deslizador y se
coloca un dinamómetro de peso despreciable para medir la fuerza horizontal aplicada, como
se muestra en la figura. La aceleración que recibe el deslizador puede medirse determinando
el cambio de rapidez en un intervalo de tiempo definido. La primera fuerza aplicada F en la
figura 7.1a origina una aceleración a,. Si se duplica la fuerza, o sea 2F , se duplicará la acele
ración, 2a,, y si.se triplica la fuerza, 3F,, se triplicará la aceleración, 3a,.
Estas observaciones demuestran que la aceleración de un determinado cuerpo es directa
mente proporcional a la fuerza aplicada, lo cual significa que la relación de fuerza a acelera
ción siempre es constante:
Fj Fi F3
— = — = — = constante
el] 3.9
La constante es una medida de la eficacia de una fuerza dada para producir aceleración. Vere
mos que esta relación es una propiedad del cuerpo, llamada su masa m, donde
F
m — ~
a
La masa de un kilogramo (1 kg) se definió en el capítulo 3 por comparación con un patrón.
Conservando esta definición, ahora podemos definir una nueva unidad de fuerza que imparti
ría a la unidad de masa una unidad de aceleración.
La fuerza de un new ton (1 N) es la fuerza resultante que im parte a una masa de
1 kg una aceleración de 1 m /s 2.
