¿Qué es una fuerza normal?
Sabemos por la tercera ley de Newton que cada acción tiene una reacción opuesta e igual. Por lo tanto, cuando te paras en una superficie, la gravedad te empuja hacia abajo, y la reacción sería que el suelo te empuje hacia arriba. Esta fuerza reactiva es la Fuerza Normal y siempre es perpendicular a la superficie. De hecho, normal es un término geométrico que significa perpendicular.
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Los átomos del suelo aplican una fuerza repulsiva a los átomos de tus pies porque a distancias cortas los átomos se repelen. Esto se debe a que las nubes electrónicas / orbitales de los átomos son negativos y no les gusta estar demasiado cerca el uno del otro. Sin embargo, después de cierta distancia, el núcleo positivo atrae eléctricamente los electrones de enlace, razón por la cual los átomos pueden unirse.
Entonces podemos ver que cualquier fuerza que se ejerza, el componente perpendicular de esa fuerza es lo que la Fuerza Normal equilibra. Esto es todo lo que uno necesita saber para responder a la mayoría de los problemas de física. Simplemente dibuje un diagrama de cuerpo libre, vea qué fuerzas están empujando sobre una superficie e invierta esta fuerza para encontrar la Fuerza Normal.
Fuerza normal en un elevador
Sabemos que la Fuerza neta es igual a la Masa multiplicada por la Aceleración neta. Esto significa que cuando un elevador te acelera, siendo una masa, resiste ser acelerado y junto con la aceleración de la Tierra (g = 9.81 ms ^ -1) aplicas una fuerza mayor al piso del elevador de lo que normalmente lo harías. Y sucede lo contrario cuando el elevador acelera. La aceleración de la Tierra menos la aceleración del elevador multiplicada por su masa y luego multiplicada por menos uno (ya que la Fuerza Normal es opuesta a la gravedad) le dará su Fuerza Normal.
Es importante tener en cuenta que su Fuerza Normal también es lo pesado que se siente, por eso en un elevador que acelera hacia arriba se siente más pesado y en uno que acelera exactamente a 9.82 metros por segundo hacia abajo se sentiría sin peso ya que el elevador cae con usted / en el misma tasa.
Fuerza normal en un plano inclinado
Es fácil ver que en un plano inclinado, la fuerza de la gravedad está bajando directamente, pero la fuerza normal solo reacciona en la misma dimensión / dirección que la línea perpendicular a la superficie. En otras palabras, la Fuerza Normal es lo opuesto a solo un componente de la Fuerza Gravitacional, y el otro componente desliza algo por la pendiente (si supera la fricción). Para ayudarnos con las matemáticas, podemos colocar nuestro sistema de coordenadas donde queramos (siempre que el eje sea perpendicular), entonces ¿por qué no colocaríamos un eje en la misma dirección que la fuerza normal y el otro perpendicular a eso, en el misma dirección que la inclinación.
El tirón gravitacional (igual a masa por 9.81) se compone de dos componentes ortogonales. Uno es paralelo y exactamente opuesto a la Fuerza Normal y el otro es paralelo a la inclinación de la rampa. Llamemos al ángulo de la inclinación “Ángulo”. Podemos ver geométricamente que el ángulo de los componentes de la atracción gravitacional también será igual a “Ángulo” (porque el ángulo opuesto sería 90-Ángulo, el ángulo que queremos sería 90- (Ángulo 90), que es solo Ángulo). Por lo tanto, podemos usar trigonometría para encontrar la medida de los diferentes componentes. El lado opuesto sería igual a la hipotenusa multiplicada por el seno de “ángulo”, que es solo mg * sin (ángulo), y el lado adyacente sería la hipotenusa multiplicada por el coseno de “ángulo”, que es solo mg * cos ( Ángulo). Sabemos que la Fuerza Normal es simplemente lo contrario del componente normal de la gravedad, que sería simplemente mg * cos (Ángulo) multiplicado por uno negativo.
La fuerza de fricción es igual al coeficiente de fricción, mu, multiplicado por la Fuerza normal, que es mg * cos (Ángulo). Si esta fuerza es mayor que el componente de gravedad paralelo a la inclinación, el objeto se desliza hacia abajo. De lo contrario no lo hará. La aceleración a la que se deslizará puede calcularse por A = M / F, donde la fuerza es la fuerza neta (gravitacional menos la fricción) y M es solo la masa del objeto.
Hay muchos más sistemas físicos en los que uno necesita calcular la Fuerza Normal, especialmente cuando se hace física de montaña rusa, pero estos dos son los ejemplos más cuestionados en las pruebas, etc.
Daniel
