Forces
Una mica de teoria
Forces i moviment
La dinàmica és la part de la física que estudia el moviment dels cossos i les causes que el produeixen. Podem deduir que qualsevol interacció entre dos o més cossos serà la força. Això implicarà que el cos variï el seu estat de moviment, implicant un canvi de velocitat. Aquesta variació de velocitat en relació el temps és una acceleració, per això, com a conclusió podem dir que les forces produeixen acceleracions sobre els cossos que la senten.
Per acabar de descriure bé una força, a més a més de definir-ne la magnitud, també haurem de definir altres aspectes com: si té inclinació, si és paral·lela al pla, si va cap a la dreta o l'esquerra, etc. Per tant, la força és una magnitud vectorial i la representem gràficament per vectors.
Si sobre un cos actua més d'una força, el conjunt d'aquestes, sempre en podrem obtenir una única com a resultat de l'efecte conjunt d'elles. S'anomena la força total o resultant.
-El primer cas és si tenen igual direcció i sentit.
-El segon cas és si tenen igual direcció i diferent sentit o contrari.
Si tenim dues forces en diferents direccions, hem de recórrer a la descomposició de vectors, per així tenir totes les forces referides a dos eixos, un amb la mateixa direcció que la velocitat (eix x) i un de perpendicular a aquesta (eix y).
Les lleis de Newton
-Primera llei de Newton o principi d'inèrcia.
Si sobre un cos no hi actúa cap força o el resultat de totes és zero, el cos no variarà la seva velocitat. És a dir, si un cos està en repòs, seguirà en repòs i si porta una velocitat continuarà amb la mateixa.
Per tant, repòs i MRU són estats d'equilibri.
∑F = 0 → Repòs o MRU
-Segona llei de Newton o prinicipi fonamental de la dinàmica.
Conseqüentment de la primera, si la força resultant no és 0, el cos portarà una velocitat, una acceleració. Si sobre un cos hi actúa una força resultant, aquest cos es veurà sotmès a una acceleració de manera que aquesta serà proporcional a la massa del cos i a la força aplicada, tenint força i acceleració la mateixa direcció i sentit.
Equació:
-Tercera llei de Newton o principi d'acció-reacció
Si un cos exerceix sobre un altre una força (acció), el segon exerceix sobre el primer una altra força (reacció) del mateix mòdul i direcció però de sentit contrari.
Força normal
Suposem que un cotxe de fórmula 1 està recolzat sobre un expositor en un museu. Observem que es troba en repòs. I com és que no cau cap al centre de la Terra per culpa de l'atracció gravitatòria? Una de les opcions és perquè la suma de les forces sobre el cotxe és zero. I efectivament, aquesta afirmació és correcte. El cotxe rep dues forces, el pes i per altra banda, la força que fa la superfície de recolzament sobre el cos que hi és recolzat. Aquesta força rep el nom de força normal.
Aquesta força normal sempre serà perpendicular a la superfície de recolzament, i sempre tindrà el mateix valor que la força total que fa pressió cap a la superfície de recolzament.
La força de fregament
Les forces de fregament apareixen quan un cos està amb contacte amb una superfície o quan aquest es mou a través d'un fluid com l'aire o l'aigua. Aquesta força sempre s'oposa al moviment del cos, per això sempre tindrà sentit contrari. La força de fregament no fa cap força per si sola, no en produeix.
- S'oposa al moviment.
- És paral·lela al pla de recolzament del cos.
- Depèn de l'estat de les superfícies.
- És proporcional a la força normal.
Hi ha dos tipus de força de fregament:
-Força de fregament dinàmica o cinètica: apareix quan el cos llisca.
-Força de fregament estàtica: apareix quan un cos està intentant lliscar o està en moviement.
L'expressió per determinar aquestes forces és la mateixa, variant el coeficient de fregament, ja que un serà dinàmic i l'altre estàtic.
Equació:
Tensió
La tensió és una força que apareix quan dos cossos estan lligats, de manera que si s'aplica una força sobre d'un, es veurà repercutida en l'altre. Aquest lligam entre els dos cossos pot ser des d'una corda, un cable, o qualsevol cosa que pugui aguantar la força que es transmet a través seu.
Gran Premi del Brasil 2012
El cotxe en repòs de Felipe Massa, a la sortida del Gran Premi del Brasil l'any 2012, es veu accelerat gràcies a la força del motor que fa, que és de 5630,34 N.
a) Calcula l'acceleració que té el cotxe, sabent que la massa del pilot és de 72000 g i la del cotxe és de 0,570 T.
b) Troba la velocitat, en km/h al cap de 7 segons després de la sortida.
Un tram de carrera de Mark Webber
Mark Webber en el circuit de Malàisia:
Sobre el seu cotxe de 642 kg que va a una velocitat 96 km/h, hi actua una força de 3673,66 N en el sentit del moviment durant 10 segons. Després durant 2'5 segons porta un MRU i per últim, en 3'5 segons passa de portar aquesta velocitat constant a anar a 81 km/h.
a) Calcula l'acceleració del 1r tram, la velocitat final (en Km/h) que portarà i la posició final en aquest tram.
b) Calcula la distància que ha recorregut en aquest 2n tram.
c) Troba la força que rep l'automòbil en l'últim tram.
d) Troba la distància de la recta principal del circuit.
Esteban Gutiérrez abandona
Al Gran Premi de Canadà, Esteban Gutiérrez va haver d'abandonar la cursa i van haver de retirar el cotxe del circuit amb una grua.
a) Calcula la tensió que fa la grua sobre el cotxe d'Esteban Gutiérrez, després que el cotxe hagués de ser tret per una sortida de pista al final de la carrera.
b) Sabent que la màxima tensió que pot suportar aquesta grua és de 16.816'8N, quina és la massa màxima que pot aixecar aquesta grua? Quants cotxes podria aixecar alhora, si tots fossin de la mateixa massa que el d'Esteban Gutiérrez?
Parada d'en Fernando Alonso al box
El cotxe d'en Fernando Alonso va a una velocitat de 100 km/h quan de sobte frena per entrar al box. Des de l'entrada del box fins al seu hi ha 111,18 m. El cotxe té un pes de 6291,6N.
a) Calcula el temps que ha trigat a aturar-se.
b) El coeficient de fregament i la força de fregament.
En Sebastian Vettel i el seu cotxe
Sabem que en Sebastian Vettel pesa 73 kg i que el cotxe necessita una força de 2202,6N sobre una superfície, els boxes (MRU), que té un coeficient de fricció de 0,35. Calcula:
a) Fes un diagrama de les forces que actuen sobre el cotxe.
b) La massa del cotxe.
c) Compara el pes del sistema (Cotxe + Sebastian Vettel) aquí i a la lluna.
Dades: gT = 9,8 m/s2 gLl = 1,5 m/s2
A continuació, si cliques a "següent" passaràs a l'autocorrecció dels exercicis.