Cuando sostengo un vaso de agua,
$\hspace{1.5cm}$
,
Estoy aplicando una fuerza horizontal, pero su peso actúa hacia abajo. ¿No debería caer?
¿Cómo describirías el equilibrio?
No estoy seguro exactamente de lo que estás preguntando, pero has usado la etiqueta de fricción, así que te das cuenta de que la fricción está involucrada.
Piensa en cómo funcionan los problemas habituales de fricción de "bloque en un plano": la gravedad ejerce una fuerza hacia abajo (normal a la superficie de la fricción), pero si intentas mover el bloque a través del plano, la fricción ejerce una fuerza paralela a la superficie del plano para oponerse a ti.
En este caso, en lugar de que la gravedad proporcione la fuerza normal, lo hacen el agarre de tus dedos. Y en lugar de que "tú" intentes empujar el bloque, la gravedad está tratando de mover el vidrio paralelamente a la superficie de tus dedos. Y la fricción causa una fuerza opuesta paralela a la superficie de tus dedos contra el vidrio.
El agarre de tu mano viene de la aspereza de tus dedos (esa es la razón de las huellas dactilares), además de los aceites que secreta tu piel. Nota que es mucho más fácil recoger un vaso con la parte delantera de tus dedos que con tus uñas.
"Normal force," como término, está definida de manera diferente a como la estás utilizando aquí. Básicamente es la fuerza que evita que los objetos pasen a través uno de otro, mientras que aquí la estás utilizando para describir la fuerza opuesta. (La fricción se define en términos de la fuerza normal específicamente porque la fuerza normal puede ser una respuesta a muchas otras fuerzas, por lo que usar la normal simplifica la definición.) Pero esto es solo una corrección menor en términos de terminología. ¡Buena respuesta por lo demás!
Además de la respuesta de @The Photon, considera que para muchos vasos, los lados del vaso se estrechan hacia adentro hacia el fondo del vaso.
Para un vaso así, no se necesita fricción. Simplemente manteniendo los dedos a una distancia fija ejercerás una fuerza sobre la pared del vaso con un componente hacia arriba, deteniendo el vaso de continuar hacia abajo.
Por supuesto, en ausencia de fricción, corres el riesgo de apretar el vaso cónico demasiado fuerte, y hacer que suba...
Al principio pensé que esta pregunta no era tan buena. Pero cuanto más lo pensaba, me di cuenta de que la fricción podría no ser tan intuitiva. Intentaré explicar tu pregunta tal como la he entendido utilizando un modelo simplificado.
Si tenemos un cilindro de vidrio con lados perfectamente planos, lisos, verticales y sin fricción, y tenemos dos placas perfectamente planas, lisas, verticales y sin fricción que intentan ejercer una fuerza normal sobre el vidrio, podemos entender que el vidrio no se mantendrá en su lugar ya que no hay forma de transferir una fuerza opuesta a la fuerza de gravedad.
Por lo tanto, este modelo idealizado no puede explicar cómo funciona tu problema. Sabemos que la fricción es una fuerza, y claramente es necesaria para explicar este comportamiento. Entonces, ¿qué es la fricción y cómo funciona?
Bueno, en el mundo real, los objetos no son perfectamente planos ni perfectamente lisos (y aún si lo fueran, surgen otros problemas como la soldadura en frío, como explicaré más tarde). En el mundo real, la superficie de cada objeto tiene imperfecciones y se verá como picos, valles, cañones, crestas, agujeros, etc. Eso significa que cuando dos superficies entran en contacto, hay un "bloqueo" entre las superficies. Incluso si piensas en esto a nivel atómico, algunos átomos estarán más altos que otros en la superficie. Puedes pensar en una espuma en forma de rejilla y cómo interactuarán dos piezas si colocas las superficies puntiagudas una contra la otra. Hay otros efectos a esta escala y todas estas interacciones microscópicas resultan en la fuerza que simplificamos y llamamos fricción.
Ahora, en el caso extremo de interacción de superficies, digamos que tienes dos piezas de metal muy limpias y muy lisas, estos dos metales pueden unirse en lo que se conoce como soldadura en frío. Los átomos de cada pieza se unen para hacer que la pieza sea una (estoy simplificando aquí). Lo que estoy tratando de ilustrar es que a nivel atómico de fricción, los átomos están y pueden intercambiarse entre las dos superficies. Por lo tanto, esa fuerza de fricción también es el resultado de los enlaces interatómicos. Es un fenómeno complejo.
Los átomos/la superficie de tus dedos no son perfectamente lisos, y interactúan con la superficie de vidrio proporcionando la fuerza necesaria para contrarrestar la gravedad. La fricción se genera a lo largo de la interfaz y produce una fuerza de fricción resultante equivalente en magnitud a la fuerza gravitatoria. La fricción se produce a partir de la rugosidad de la superficie, fuerzas/interacciones interatómicas, intermoleculares y electrostáticas.
La respuesta extremadamente simple es que el OP no está aplicando una fuerza horizontal, pero por supuesto está aplicando una fuerza hacia arriba. Es así de simple.
@Fattie, Es difícil descifrar la verdadera pregunta del OP. Cuando preguntó sobre la fuerza horizontal, simplemente entendí que se refería a apretar con los dedos. Pero tu explicación tiene sentido. No hay una fuerza horizontal neta (en el brazo), solo una fuerza hacia arriba en el brazo que contrarresta la gravedad (donde la fricción transfiere la fuerza vertical del vaso a la mano). Mi respuesta sigue siendo útil para entender ese último detalle.
"Estoy aplicando una fuerza horizontal ..."
En las fotos, estás aplicando una fuerza hacia arriba a la masa. Tal como cabría esperar.
El único propósito de la fuerza de pellizco del dedo es aumentar la fricción estática. Ten en cuenta que si simplemente secas el vaso y pegas el vaso a tus dedos (o usas, por ejemplo, guantes con velcro y velcro en el vaso) puedes, por supuesto, detener por completo la fuerza de "pellizco". Por ejemplo, si el vaso está seco, la fuerza horizontal de "pellizco" necesita ser mucho menor, y si el vaso es de goma pegajosa (como una taza reutilizable de Starbucks), la fuerza horizontal de "pellizco" es casi nula.
La forma de sostener el vaso (fricción, pellizco, velcro, lo que sea) es totalmente irrelevante.
En la foto, en este momento estás aplicando una fuerza hacia arriba a la masa. - ten en cuenta que, de manera extremadamente sencilla, si disminuyes lentamente la fuerza hacia arriba que estás aplicando, el vaso, por supuesto, se moverá hacia abajo hacia el suelo. Del mismo modo, si, por ejemplo, te paras en una silla como en la foto y saltas de la silla, el vaso (y tú, y tu mano) se moverá, por supuesto, recto hacia abajo. No importa cuánta fuerza de pellizco apliques, la fuerza de pellizco obviamente no hará ninguna diferencia en que se mueva hacia abajo.
Un pequeño detalle. Como cualquier programador de videojuegos observará al instante, en realidad únicamente en lo que respecta a la fuerza de pellizco: absolutamente no estás aplicando una fuerza horizontal. Las diversas fuerzas de tus dedos/pulgar se cancelan vistas desde arriba. La fuerza en el eje X es, suministrada por "tú", es por supuesto precisamente cero. (Si no fuera cero, estarías ... ¡lanzando el vaso! ¡se movería en la dirección de esa fuerza horizontal! Absolutamente no estás aplicando una fuerza horizontal.)
Para ayudar con los desafortunados que votaron en contra, aquí tienes una explicación muy básica:
y aquí tienes todas las fuerzas horizontales sobre el vaso:
Las teorías de "fuerza de fricción" son algo así como un intento de resolver la mecánica newtoniana y el calor con las cualidades observadas de la cinética de la materia. Estás mirándolo de la manera equivocada: el vaso no cae, y hay varias explicaciones posibles. Sugiero que la mano y el vaso son manifolds electrostáticos, y que el manifold del vaso no puede caer a través del manifold de la mano, a pesar de que la mano requiere una fuente de energía para sostener el vaso, y el vaso está en caída libre gravitacional.
En un nivel cinético, aplicas la energía almacenada de la mano al vaso, alterando su trayectoria.
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Simplemente no estás aplicando una fuerza horizontalmente.