Aquí va:
Una “fuerza” es solo una forma matemática de decir, “¿qué tan difícil es una cosa empujar / tirar de otra?”
Digamos que tenemos una roca que está sentada quieta (“en reposo”) en el espacio. Es una roca gris redonda, de tamaño mediano. Podemos medir la posición de esta roca como “0 metros” desde donde comenzó.
Ahora imagine que la roca se está moviendo: tiene algo de velocidad. Digamos que medimos su velocidad en “1 metro por segundo”. Eso significa que cada segundo, su posición cambia en 1 metro. Después de 10 segundos, medimos su posición a “10 metros” de donde comenzó.
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¿Qué pasa si cambia la VELOCIDAD de la roca? Al igual que la posición cambia en 1 metro por segundo en el último ejemplo, imaginemos que la velocidad de la roca cambia en “1 metro por segundo” cada segundo. Si comienza sin velocidad, entonces después de 10 segundos mediríamos su velocidad como “10 metros por segundo”. Esto es lo que llamamos aceleración. En este caso, la aceleración de la roca es “un metro por segundo por segundo”.
Posición: [matemáticas] m [/ matemáticas]
Velocidad: [matemáticas] m / s [/ matemáticas]
Aceleración: [matemáticas] m / s / s = m / s ^ 2 [/ matemáticas]
¿Dónde encaja la fuerza? De acuerdo con la primera ley de movimiento de Newton, si nuestra roca tiene una cierta velocidad en un momento determinado, seguirá teniendo la misma velocidad para siempre. Solo hay una excepción: si una fuerza actúa sobre nuestra roca, la velocidad de la roca cambiará.
Otra forma de decir esto es que las fuerzas hacen que las cosas se aceleren.
Ahora para la pregunta importante: ¿cuánto hace que una fuerza acelere algo?
Digamos que su roca es [matemáticas] 1 kg [/ matemáticas], y digamos que decide empujar la roca a través del espacio. Le aplicas una fuerza y haces que acelere a [matemática] 1 m / s ^ 2 [/ matemática]. Se necesita esfuerzo para aplicar fuerza a algo, y siente un “empuje” contra sus brazos.
Ahora imagine que tomamos otra roca [matemática] 1 kg [/ matemática] y la pegamos a la primera, para un total de [matemática] 2 kg [/ matemática]. Si quisieras acelerar esta roca a [matemáticas] 1 m / s ^ 2 [/ matemáticas], tendrías que empujar el doble de fuerza y sentir el doble de “empujar hacia atrás”, lo que significa que estarías ejerciendo el doble de fuerza.
La cantidad de fuerza (F) que se necesita para hacer que un objeto (con masa m) acelere una cierta cantidad (a) viene dada por:
[matemáticas] F = m * a [/ matemáticas]
(donde F es fuerza, m es la masa y a es la aceleración). Esta ecuación se llama “segunda ley de Newton”.
En respuesta a su pregunta, la “unidad Newton” es la cantidad de fuerza que se necesita para acelerar un objeto de [matemáticas] 1 kg [/ matemáticas] a [matemáticas] 1 m / s ^ 2 [/ matemáticas]. (Aquí es de donde provienen las unidades de fuerza – [matemática] kg * m / s ^ 2 [/ matemática].) Aparte de eso, no tiene ninguna propiedad especial, porque acelera cada masa en una cantidad diferente . Una fuerza de 1 Newton aceleraría 2 kg a .5 m / s, y aceleraría .5 kg a 2 m / s.
¿Cómo se relacionan las fuerzas con la energía? La energía es un concepto difícil de explicar al principio.
La energía mide la cantidad de “trabajo” que puede hacer un objeto. Qué es trabajo”? El trabajo se define como “fuerza * distancia” (si la distancia apunta en la misma dirección que la fuerza). En otras palabras, si un objeto viaja 3m en una dirección, y ejerce 2N de fuerza en esa dirección, hace [matemáticas] 3m * 2N = 6N * m = 6J [/ matemáticas] de trabajo. Una “J” es un “julio”, y es la unidad de energía y trabajo.
[matemáticas] W = F * d [/ matemáticas]
[matemáticas] 1 J = 1 kg * m ^ 2 / s ^ 2 [/ matemáticas]
El trabajo y la energía se relacionan entre sí de la misma manera que la distancia y la posición se relacionan entre sí: tanto la distancia como la posición se miden en metros, pero la posición es una propiedad de un objeto mientras que la distancia no lo es. Un objeto puede TENER una posición, mientras que un objeto debe MOVER una distancia. Del mismo modo, un objeto puede TENER energía, mientras que un objeto debe HACER trabajo.
“¿Fuerza * distancia?” tu dices. “Esas dos cosas parecen completamente al azar”. Es difícil ver de inmediato por qué “trabajar” es un concepto útil. Por ejemplo, ¿qué pasa si estoy quieto pero sosteniendo un paquete pesado? Como no me estoy moviendo, distancia = 0, y eso significa trabajo = 0. Pero todavía me estoy cansando.
Lo definimos así porque “trabajo” y “energía” tienen algunas propiedades agradables que los físicos encuentran extremadamente útiles. Una de las más importantes es la “ley de conservación de la energía”. Esto dice que cada vez que dos objetos interactúan entre sí, su energía total no cambia. Si un objeto pierde energía, el otro tiene que recuperar esa misma cantidad. En el caso en que sostengo el paquete, mi cuerpo está perdiendo “energía química”, la capacidad de los químicos en mi cuerpo para hacer trabajo, y lo está liberando como “energía térmica” en el aire. Así que no estoy trabajando en el paquete, ¡pero sí estoy trabajando en el aire!
Resulta que la “energía” es un concepto muy importante a pesar del hecho de que se define como “fuerza * distancia”, una multiplicación aparentemente aleatoria de 2 cosas.
NOTA FINAL: Me acabo de dar cuenta de que esta es una explicación muy densa. Lo siento si lo encuentras confuso, ¡y espero que te sea útil! Siéntase libre de dejarme una pregunta de seguimiento como comentario.