¿Es posible que la Fuerza Normal realice un trabajo?

Question

¿Puede una fuerza normal realizar un trabajo?

Nota: trabajo = $Fd\cos(\theta)$ , donde $F$ es la magnitud de la fuerza, $d$ es la magnitud del desplazamiento, y $\theta$ es el ángulo entre ambos.

Intento de respuesta:

La respuesta de mi libro de texto:
No, la fuerza normal no hace que un objeto se desplace, es perpendicular a la dirección del movimiento.

Mi lógica:
¿Pero qué pasa si el desplazamiento es en dirección vertical, por lo que ahora la fuerza normal con está a 0 grados o a 180 grados? Por ejemplo, en un ascensor si se acelera hacia arriba ¿no hace trabajo la fuerza normal? O por ejemplo, cuando alguien salta hacia arriba empuja el suelo, entonces por la tercera ley de Newton el suelo empuja de nuevo hacia arriba, por lo que es una fuerza normal que hace que se desplace.

¿Qué respuesta es correcta y si mis ejemplos son erróneos qué hay de malo en ellos?

Answer 1

En el ejemplo del ascensor, tiene razón. El suelo del ascensor sí que actúa sobre ti cuando estás en un ascensor que sube.

En el ejemplo de los saltos, el suelo no está haciendo trabajo. Al fin y al cabo, sólo es un suelo, no tiene de dónde sacar la energía para realizar un trabajo sobre ti. (El suelo del ascensor la obtiene del motor que hace funcionar el ascensor.) Cuando saltas, la fuerza del suelo sobre tus zapatos aumenta, pero no hay desplazamiento entre el suelo y tus zapatos hasta que éstos se separan del suelo, y en ese momento ya no hay fuerza. Tu torso se mueve hacia arriba mientras saltas, pero no hay fuerza del suelo sobre tu torso, por lo que el suelo no está haciendo trabajo. Toda la energía de un salto proviene de la energía interna, no del trabajo externo.

De hecho, el suelo hace un poco de trabajo negativo cuando saltas, quitándote energía, porque se desvía un poco, moviéndose hacia abajo mientras saltas hacia arriba.

Cuando levantas un objeto de una mesa, la mesa hace un pequeño trabajo sobre el objeto por una razón similar. Cuando el objeto está sobre la mesa, ésta se deforma un poco. Al levantarla, la mesa vuelve a su forma original, por lo que se realiza un pequeño trabajo de fuerza*distancia. La desviación suele ser tan pequeña que no se nota. En un trampolín es mucho mayor, lo suficiente para que saltar sea una experiencia muy diferente.

Answer 2

Las fuerzas normales no son, como ilustra tu ejemplo del ascensor, "perpendiculares a la dirección del movimiento", en general.

Son perpendiculares, pero la perpendicularidad en cuestión -que es a lo que se refiere la palabra "normal"- es a la superficie en el que el objeto está en contacto. Es decir, el vector a lo largo del cual se dirige la fuerza es el superficie normal en el punto de contacto, no el vector normal al objeto en movimiento camino . Por lo tanto, no hay razón para suponer que las dos normales deben tener siempre la misma dirección.

Su libro de texto está equivocado. No es un síntoma inaudito. Si hay algo que le parece extraño en una conferencia o en un libro, debería cuestionarlo. La ciencia consiste en hacer preguntas. No hay preguntas tontas, sólo negarse "tontamente" a admitir que estabas equivocado si lo estabas (por ejemplo, que el libro era, de hecho, correcto).

Answer 3

Sí, dependiendo de su marco de referencia.

Consideremos un bloque que se desliza por un plano inclinado. En el marco del laboratorio, la fuerza normal es siempre perpendicular a la trayectoria del bloque, por lo que no realiza trabajo.

¿Pero qué pasa si te mueves hacia la derecha? Entonces, en ese marco, la trayectoria del bloque ya no es una línea recta, sino una curva, y la fuerza normal ya no es perpendicular a la trayectoria o a la velocidad del bloque.

Answer 4

Si una fuerza actúa a través de una distancia, la fuerza realiza trabajo; en caso contrario, la fuerza no realiza trabajo. Por lo tanto, en el ejemplo del ascensor, la fuerza normal realiza trabajo. Nota: el cambio de energía cinética se debe a la fuerza neta (la normal hacia arriba y la gravedad para subir en un ascensor). Si la fuerza no actúa a través de una distancia, no realiza ningún trabajo, como por ejemplo (a) al saltar de un piso fijo, (b) para la fricción de rodadura (no hay movimiento relativo entre la fuerza de fricción y el punto de contacto instantáneo), (c) y para la condición de no deslizamiento de un fluido que fluye a lo largo de una superficie (el fluido se adhiere a la superficie por lo que no hay movimiento relativo entre la fuerza de fricción y la superficie). Además, el trabajo es el producto puntual de la fuerza por la distancia, por lo que una fuerza perpendicular a la distancia no realiza ningún trabajo, como la fuerza centrípeta sobre una partícula que se mueve a velocidad constante en un círculo.