¿Puede alguien explicar el concepto de fuerza normal y su dirección?

Question

Estaba estudiando fricción y no podía entender el concepto de fuerza normal . ¿Puede alguien explicarlo?

Edición: ¿por qué el valor de la fuerza normal es igual a $mg$ aunque actúe en sentido contrario a la gravedad terrestre? ¿No debería ser $mg$ ?

Answer 1

La fuerza normal es una fuerza de "retención".

Coloca una manzana sobre una mesa y ésta la sostiene. Esta fuerza de "sujeción" es siempre perpendicular, por lo que se denomina normal fuerza ("normal a" significa "perpendicular a").

Cualquier superficie rígida retrocederá ante algo que la empuje, como el peso de una manzana, y esa fuerza de "retroceso" recibe el nombre de fuerza normal .

¿por qué el valor de la fuerza normal es igual a mg aunque actúe en sentido contrario a la gravedad terrestre? ¿Debería ser -mg?

¡Olvídate de eso ahora mismo! Esto es no cierto. Puede que lo sea en algunos casos, pero es no una regla general. Nunca diga que la fuerza normal debe ser $mg$ . Nunca digas que debe ser cualquier cosa - depende de la situación cada vez.

• La manzana sobre la mesa tiene un peso $w=mg$ . La mesa debe contener exactamente $mg$ también para sostener la manzana. Esto viene de la 1ª ley de Newton (dirección positiva hacia arriba): $$\sum F=0\Leftrightarrow n+(-mg) =0\Leftrightarrow n=mg$$

• Ahora empuja hacia abajo la parte superior de la manzana. Ahora la mesa debe aguantar el peso de la manzana $w=mg$ y la fuerza de empuje $F_{push}$ : $$\sum F=0\Leftrightarrow n+(-mg) +(-F_{push}) =0\Leftrightarrow n=mg+F_{push}$$

• Ahora empuja una pared . Nada pone peso en la pared, pero usted da una fuerza de empuje horizontal. La fuerza normal de la pared parece retroceder, esta vez horizontalmente (dirección positiva hacia fuera de la pared):

$$\sum F=0\Leftrightarrow n+(-F_{push}) =0\Leftrightarrow n=F_{push}$$

Un nuevo valor de $n$ en una nueva situación. No tiene nada que ver con el peso.

Espero que esto también haya aclarado las señales. Tienes razón en que el peso $w=mg$ y la fuerza normal $n$ en el ejemplo de la manzana tendrán signos opuestos, y también los tienen cuando los pones en la primera ley: el peso $mg$ tira hacia abajo (negativo) mientras que $n$ retiene hacia arriba (positivo). Pero están en el mismo lado del signo igual, por lo que la reordenación cambia un signo.

Answer 2

La fuerza normal es interesante porque muestra parte de la libertad que tenemos a la hora de construir nuestras ecuaciones. Estamos acostumbrados a que las fuerzas se identifiquen por su origen, como "la fuerza del bate de béisbol sobre la pelota", o a que reciban el nombre de un comportamiento que provoca esa fuerza, como "la fuerza de rozamiento" o "la fuerza de la gravedad". "La fuerza normal" es otra categoría: fuerzas agrupadas en función de una propiedad matemática de esa fuerza.

Hagamos un viaje al mundo microscópico de los átomos. A escala atómica, los objetos están casi totalmente vacíos. Sin embargo siente sólido debido a cosas como la repulsión electrostática. Al acercar dos átomos, sus electrones empiezan a repelerse y esto impide que un objeto atraviese a otro. Técnicamente se podría decir que la única razón por la que no te caes al suelo es porque los electrones de tus pies empujan contra los electrones del suelo.

Todo esto es exacto, pero no muy útil. Las ecuaciones que rigen la electrostática de los billones de átomos de tus pies son complejas y no necesitas calcularlas todas. Lo que realmente quieres es una forma de obviar todas esas complicaciones y hacerte la vida más fácil.

El bello secreto de las fuerzas es que se suman. Si tengo 10 fuerzas, puedo sumarlas todas en una sola fuerza (usando la suma de vectores, por supuesto) y el resultado es el mismo. Puedo tener 10 billones de pequeñas fuerzas electrostáticas, o puedo sumarlas todas en una o dos grandes fuerzas fáciles de entender. Y eso es la fuerza normal.

En realidad, cuando acerco mi dedo a una de estas teclas para teclear, los átomos de mis dedos se acercan a los átomos de las teclas acercándose hasta que las fuerzas electrostáticas equilibran la fuerza que estoy utilizando de mi mano. Si presiono más fuerte, los átomos de mis dedos se acercan más a los átomos de las teclas, haciendo que las fuerzas electrostáticas aumenten. Sin embargo, no llegan a moverse mucho. Tal vez se mueven 0,00000000001 metros más cerca. Eso es casi sin moverse en absoluto. De hecho, a menos que se trate de fuerzas exóticamente poderosas, como las que encontramos en los aceleradores de partículas, podríamos decir simplemente "no se mueve en absoluto".

Así que tenemos estos trillones de diminutas fuerzas electrostáticas, todas las cuales mueven esas fracciones de nanómetro permanecer en equilibrio con cualquier fuerza que se ejerza sobre ellas . Como en realidad no nos importa ese movimiento, lo ignoramos, agrupamos rápidamente todas esas fuerzas y las llamamos "fuerza normal". Esta es la suma de toda esa complejidad electrostática que empuja hacia fuera desde la superficie.

Esto indica rápidamente por qué la fuerza normal recibe su nombre. Las fuerzas de repulsión son siempre perpendicular a la superficie (también conocida como "normal" a la superficie). No pueden estar en ninguna otra dirección. Incluso si tienes un bloque en una rampa tirado hacia abajo por la gravedad, la fuerza normal es todavía perpendicular a la superficie de la rampa no oponiéndose directamente a la gravedad.

También vemos el mismo tipo de comportamiento con la fricción. En realidad, la fricción es la suma de millones de pequeñas interacciones, como superficies irregulares que se deslizan unas sobre otras. Las agrupamos todas y las llamamos "fricción".

Entonces, ¿por qué decidimos agruparlas en "fuerzas normales" y "fuerzas de fricción"? ¿Por qué no agruparlas todas en una gigantesca "fuerza de superficie"? Pues sí. Las fuerzas son aditivas, así que se puede hacer todo lo que se quiera. Sin embargo, hemos descubierto que es conveniente dividirlas en dos partes porque así es más fácil calcularlas. Las fuerzas normales son siempre normales a la superficie, y siempre son exactamente lo bastante fuertes como para impedir que un objeto sólido atraviese a otro. Las fuerzas de rozamiento, en cambio, son más complicadas, con sus coeficientes de rozamiento y sus diferentes direcciones, y el rozamiento estático frente al dinámico. Actúan de forma tan diferente que nos parece conveniente mantenerlas separadas.

Recuerda que, a pesar de lo que pueda parecer, todas las elecciones que se hacen en física están diseñadas para ayudarte a predecir lo que va a ocurrir en un montaje experimental. Elegimos nuestras variables para que sean convenientes. Elegimos nuestros sistemas de coordenadas para que sean convenientes. No siempre nos parecerá conveniente... a veces nos parecerá directamente absurdo. Pero siempre hay una razón. No tengas miedo de preguntar a tu profesor por qué lo hacemos de una forma u otra. Puede que no te lo puedan decir todo, pero gran parte de por qué hacemos las cosas como las hacemos puede ¡explicarse!

Answer 3

Un objeto en reposo permanece en reposo a menos que actúe sobre él una fuerza externa. Si se ejerce una fuerza sobre el objeto, éste se acelerará (mediante F=ma). Si pongo un objeto sobre una mesa, es de esperar que la gravedad "tire" del objeto hacia abajo. Pero el objeto sobre la mesa parecerá estar en reposo. Esto significa que no hay ninguna fuerza externa neta actuando sobre el objeto, lo que significa que la mesa está "empujando hacia arriba" con una fuerza igual y opuesta actuando sobre el objeto (ya que mg - mg = 0). Tirar hacia abajo puede ser -mg mientras que empujar hacia arriba es +mg.

Answer 4

Sin entrar en los detalles profundos de lo que significa que dos objetos se toquen, el contacto implica interacciones de campos eléctricos que mantienen unidos cada objeto e impiden que pasen uno a través del otro.

Estas interacciones se manifiestan en lo que llamamos la fuerza normal: Cuando el objeto A toca el objeto B, A ejerce sobre B una fuerza que se aleja de A y es perpendicular a la superficie de contacto (o perpendicular a la línea tangente que pasa por el punto de contacto). B ejerce simultáneamente una fuerza igual y opuesta sobre A, dirigida en dirección opuesta a B y perpendicular a la superficie de contacto.

Las fuerzas normales se producen cuando los objetos se tocan, y sus magnitudes varían en función de lo apretadas o flojas que estén las superficies entre sí. En este sentido, la magnitud de las fuerzas normales podría llamarse "reaccionaria". Pero eso es engañoso, porque se podría decir que la magnitud de la fuerza gravitatoria reacciona a un cambio en la distancia de separación.

La fuerza normal es un nombre para el resultado de una interacción complicada del campo eléctrico. En mecánica clásica, calculamos su magnitud en función de lo que debe ser cuando, combinada con otras fuerzas, obtenemos un resultado de cálculo que concuerda con la aceleración observada.

Answer 5

Si un objeto se coloca sobre una superficie sólida horizontal y el objeto está en reposo, el objeto no debe tener ninguna fuerza neta que actúe sobre él.
Las dos iguales en magnitud y opuestas en dirección (pero que no son un par de la tercera ley de Newton) son el peso del objeto que actúa hacia abajo y la fuerza hacia arriba que la superficie ejerce sobre el objeto y que se denomina reacción (fuerzas) normal.
Así que la magnitud de la reacción normal es $mg$ pero el signo que se asigna a la reacción normal depende de la dirección que se haya elegido como positiva.
Por lo tanto, si el peso es positivo, la reacción normal será negativa.

La expresión que relaciona la fuerza de rozamiento $F$ y la reacción normal $N$ mediante el coeficiente de fricción $\mu$ sólo une las magnitudes de las dos fuerzas, $F=\mu N$ y los signos de las dos fuerzas se asignan según convenga al problema planteado.