Fuerza, Masa y Movimiento: Principios Clave de la Física Newtoniana (2025)

Principios Fundamentales de Fuerza y Movimiento

1. Sí, como se ilustra al lanzar una pelota verticalmente en el aire. Su velocidad inicial es hacia arriba y finalmente hacia abajo. Todo el tiempo está acelerando a una g constante.
2. Sí, si la rapidez de la bola se vuelve menor, es porque sobre ella está actuando una fuerza en dirección opuesta a su movimiento, como el arrastre del viento o la fricción entre la bola y la mesa.
3. No. Un objeto sólo puede moverse en curva cuando alguna fuerza actúa sobre él. Si no hubiese ninguna fuerza, su trayectoria sería en línea recta.
4. La única fuerza que actúa sobre una piedra que se lance en la Luna es la fuerza gravitacional entre la roca y la Luna, porque en ésta no hay aire y, por lo tanto, no hay fuerza de arrastre.
5. No, la inercia involucra masa, no peso.
6. Objetos como las manzanas pesan menos en la Luna, por lo cual hay más manzanas en una bolsa en la Luna que en la Tierra. Otra cuestión diferente es la masa, pues hay la misma cantidad de manzanas en una bolsa de 1 kilogramo en la Tierra que en la Luna.
7. Deslizarse hacia abajo a velocidad constante implica que la aceleración es cero y la fuerza neta también es cero. Esto será posible si la fricción es igual al peso del oso, que es de 4000 N. Fricción = peso del oso = mg = (400 kg)(10 m/s²) = 4000 N.
8. La fuerza de la fricción en la caja debe ser –F; así, la fuerza neta en la caja es cero, lo que explica el estado de reposo.
9. Sacudiendo las cajas: la que ofrece mayor resistencia a la aceleración es la que tiene más masa, es decir, la que contiene arena.
10. Sujetar una carga pesada implica que la masa es mayor y, por lo tanto, tiene mayor tendencia a continuar en movimiento (inercia). Si tu mano se mueve hacia la pared con una carga, su tendencia será a continuar moviéndose al hacer contacto, lo que tenderá a aplastar tu mano entre la carga y la pared (un ejemplo desafortunado y evidente de la primera ley de Newton).
11. Un cuchillo masivo es más efectivo para cortar verduras porque su mayor masa contribuye a que tienda más al movimiento conforme corta.
12. La Masa es la medida de la cantidad de material en un objeto, no el jalón gravitacional que depende de su ubicación. Por lo tanto, la masa del astronauta no cambia aunque su peso sí cambie con su ubicación.
13. No, ni la masa ni el peso del vehículo que se transforma en chatarra y se comprime cambia: lo que sí cambia es su volumen, el cual no debe confundirse con masa y peso.
14. Diez kilogramos pesan aproximadamente 100 N en la Tierra (peso = mg = 10 kg x 10 m/s² = 100 N, o 98 N si decimos g = 9.8 m/s²). El peso en la Luna sería 1/6 de 100 N = 16.7 N (o 16.3 N si decimos g = 9.8 m/s²). La masa sería la misma en cualquiera de los dos lugares.
15. Una persona a dieta pierde masa. Es interesante notar que una persona puede perder peso con sólo alejarse del centro de la Tierra, por ejemplo a la cima de una montaña.
16. Peso y masa son directamente proporcionales, así que en cualquier ubicación, cuando aumenta tu masa también aumenta tu peso.
17. Un kg de masa corresponde a 2.2 libras de peso en la superficie de la Tierra. Un ejemplo de tu peso, si pesas 100 libras, sería: tu masa es 100 lb / (2.2 kg/lb) = 45 kg; y tu peso en newtons, usando la relación peso = mg, será entonces 45 kg x 9.8 N/kg = 441 N.
18. Una masa de 1 kg pesa 10 N, de modo que 30 kg pesan 300 N. La bolsa puede contener 30 kg de manzanas sin romperse (si no la levantas demasiado rápido).
19. La fuerza que actúa para que la caja alcance la misma rapidez que el camión es la fricción. Si no hubiera fricción, cuando el camión acelerara dejaría atrás a la caja.
20. La segunda ley de Newton establece la relación entre fuerza y aceleración. Si no hay fuerza neta, no habrá aceleración, lo cual queda establecido en la primera ley de Newton. Por lo tanto, la primera ley de Newton es consistente con la segunda ley y se puede considerar una consecuencia de ella.
21. Para saber por qué aumenta la aceleración conforme un cohete consume combustible, observe la ecuación a = F/m. Conforme consume combustible, la masa del cohete disminuye y ¡conforme m disminuye, a se incrementa! y, por lo tanto, hay menos masa que acelerar a medida que se consume el combustible.
22. Un cohete utiliza más combustible para sobreponerse al campo gravitacional de la Tierra, que el que utiliza cuando se sobrepone a la gravedad más débil de la Luna.
23. La tasa de aumento de rapidez (aceleración) es la proporción fuerza/masa (segunda ley de Newton), que en caída libre es solamente peso/masa. Como el peso es proporcional a la masa, la relación peso/masa es la misma cualquiera que sea el peso de un cuerpo. Así, todos los objetos en caída libre sufren el mismo aumento en rapidez: g (como se ilustra en las figuras 4.12 y 4.13, en pp. 65 y 66). Aunque el peso no afecta la rapidez en la caída libre, éste sí afecta la rapidez de caída cuando hay resistencia del aire (caída no libre).
24. Al levantar a un contrario disminuye la fuerza con que el suelo lo apoya y, correspondientemente, disminuye la fuerza de fricción que puede oponer. Esta disminución en la fricción limita la efectividad del contrario.
25. Las fuerzas que actúan horizontalmente son el impulso proporcionado por la fricción entre las llantas y el camino, así como las de resistencia, principalmente el arrastre del aire. Estas fuerzas se anulan y el vehículo está en equilibrio dinámico con una fuerza neta de cero.
26. El total de la fuerza neta del carro, más tu empuje, más la fricción es igual a cero.
27. Fíjate que 30 N jalan tres bloques. Entonces, para jalar dos bloques se necesita un jalón de 20 N, que es la tensión de la cuerda entre el segundo y el tercer bloque. La tensión en la cuerda que jala sólo el tercer bloque es, por lo tanto, de 10 N. (Advierte que la fuerza neta del primer bloque, 30 N – 20 N = 10 N, es la fuerza necesaria para acelerar ese bloque, que tiene un tercio de la masa total.)
28. a) No, pues caída libre quiere decir libre de cualquier otra fuerza, con excepción de la de gravedad, y en el paracaidista también está actuando la resistencia del aire. Un objeto que está cayendo puede sufrir resistencia del aire, pero uno en caída libre sólo experimenta la fuerza de la gravedad. b) Sí. Aunque el satélite no se acerca más a la Tierra, sí está en caída libre (esto se analiza en el capítulo 10).
29. La velocidad de la moneda ascendente disminuye, mientras que su aceleración permanece constante (en ausencia de resistencia del aire).
30. Con excepción de la resistencia del aire, la única fuerza que actúa cuando se lanza una moneda es mg, de manera que mg actúa en todos los puntos de su trayectoria.
31. El vector fuerza mg es el mismo en todos los puntos; por ende, la aceleración g también es la misma en todos los puntos.
32. La fuerza que ejerces sobre el suelo es mayor. El empuje del suelo sobre tu cuerpo debe ser con una fuerza mayor que la fuerza descendente de la gravedad para producir una fuerza neta resultante en ascenso que acelerará tu cuerpo hacia arriba.
33. En el punto más alto de tu brinco la aceleración es g. Deja que la ecuación para la aceleración por medio de la segunda ley de Newton te guíe: a = F/m = mg/m = g. Si respondiste cero, estás implicando que la fuerza de la gravedad deja de actuar en el punto más alto de tu brinco, ¡pero no es así!
34. La aceleración en la cúspide o en cualquier otro punto de la caída libre es g, 10 m/s², descendente. La velocidad de la piedra es momentáneamente cero, pero la tasa de cambio en velocidad sigue ahí; o, mejor aún, de acuerdo con la segunda ley de Newton, la fuerza de la gravedad actúa tanto en la cúspide como en cualquier otro punto. Si divides esta fuerza neta entre la masa, obtendrás la aceleración de la caída libre. Es decir, a = F neta / m = mg / m = g.
35. Tu velocidad cambia muy rápido cuando te detienes súbitamente, lo que significa mayor aceleración por detenerse. De acuerdo con la segunda ley de Newton, esto significa que la fuerza actuante sobre tu cuerpo también es considerable. Experimentar esa fuerza es lo que hace que te lastimes.
36. Explícale la distinción entre una fuerza aplicada y una fuerza neta. Lo correcto sería decir que sobre el vehículo en reposo no actúa una fuerza neta.