Objetivos:

Terminada la lección los estudiantes podrán:

• Definir fuerza de empuje como una cantidad relacionada a la tercera ley de Newton. 
• Diferenciar los conceptos de fuerza aplicada y fuerza de empuje.

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Fuerza de empuje

La fuerza de empuje o “thrust”, como se conoce en inglés, es un concepto muy relacionado a la tercera ley de Newton.  Por ejemplo, la fuerza que se ejerce contra un rifle o pistola  y lo que lo hace retroceder es igual en magnitud a la fuerza que impulsa la bala.  Sin embargo una pregunta interesante es: ¿Por qué la bala acelera más que el rifle?  

La bala y el rifle

La imagen de la derecha representa la situación de la bala y el rifle. Observa que la bala sale por el cañón del rifle. En esta interacción existen dos fuerzas principales: la fuerza que ejerce la bala y la que ejerce el rifle. Como la fuerza que ejerce el rifle es muy grande en comparación con el tamaño de la bala, percibimos el mayor movimiento en la bala.

Recursos visuales

Si deseas ver un vídeo de este ejemplo debes ir a los siguientes enlaces:

1. Vídeo ( http://www.visionresearch.com/video/playvideo.cfm?file=gun%20shot.flv&flash=yes )
2. Página donde verás el vídeo y otros vídeos de alta velocidad –  (  http://www.visionresearch.com/index.cfm?sector=htm/app&page=gallery  )

La segunda ley de Newton

Esto ocurre debido a la segunda ley de Newton que dice F=ma podemos calcular la aceleración del rifle y de la bala.  Para calcular la aceleración de la bala  conociendo que la masa de la bala es más pequeña  utilizamos la siguiente relación según la ecuación de la izquierda. Es decir la la aceleración del retroceso del rifle se muestra a la derecha:

Cuando consideramos las unidades entonces tenemos:

Tercera ley de Newton

Esta ecuación nos muestra que el cambio en el movimiento de la bala es gigantesco en comparación con el cambio del rifle. si consideramos que de acuerdo a la Tercera Ley de Newton, ambas fuerzas son de igual magnitud y opuesto en dirección entonces comprenderemos que una fuerza dada dividida entre una masa pequeña produce una aceleración pequeña.  Al usar símbolos de distintos tamaños para representar las diferencias entre las masas y las aceleraciones resultantes. 

El empuje y la tercera ley de Newton

El empuje es una fuerza de reacción descrita cuantitativamente por la tercera ley de Newton. Esta ley expresa que cuando un sistema expele o acelera masa en una dirección (acción), la masa acelerada causará una fuerza igual en sentido opuesto (reacción). Esta ley se conoce también como acción y reacción.

Impacto de un cohete 

Una idea errónea común es que el impulso del cohete se debe al impacto de los gases contra la atmósfera.  De hecho, a inicio de 1900, antes de la aparición de los cohetes, las personas pensaban que era imposible mandar un cohete a la Luna por la ausencia de una atmósfera contra la que se mantuviera el cohete. 

Pero esto es como  decir que una ametralladora no puede tener retroceso porque las balas no tienen contra qué empujar.  ¡No es verdad!  Tanto el cohete como la ametralladora no aceleran por el empuje sobre el aire, sino por las fuerzas de acción y reacción como consecuencia de las “balas” que disparadas, aunque haya aire o no.  De hecho un cohete o una bala funcionan mejor sobre la atmósfera, en la que no hay resistencia de aire que se oponga a su movimiento.

Enlaces

En la foto de la izquierda vemos un transbordador de NASA en la base de lanzamiento.  Puedes obtener más información y explicaciones detalladas en los siguientes enlaces:

1. Howstuffworks – http://science.howstuffworks.com/space-shuttle.htm
2. NASA- http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/main

Aplicación de la tercera ley de Newton

Si aplicamos la tercera ley de Newton comprenderemos como un helicóptero obtiene la fuerza de sustentación. Las aspas de la hélice tienen una forma tal que empujan hacia abajo a las partículas de aire (acción), y el aire empuja las aspas hacia arriba (reacción).  Esta fuerza de reacción hacia arriba se llama sustentación y cuando es igual al peso del vehículo, el helicóptero se suspende en el aire.  Cuando la sustentación es mayor, el helicóptero asciende, como vemos en la imagen.

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Ejemplos

Esto sucede también con las aves y los aeroplanos.  Las aves, al volar, empujan el aire ahacia abajo.  A su vez, el aire las empuja hacia arriba.  Cuando el ave asciende, las alas presentan una forma tal que el movimiento de las partículas de aire se desvía hacia abajo.  Las alas del aeroplano, que poseen una inclinación ligera, desvían el aire que les llega hacia abajo, produciendo la sustentación del avión.  En cuanto a los cohetes estos empujan el aire hacia atrás y a su vez empujan el cohete hacia adelante. Estos son ejemplos de la forma en que actúa la fuerza de empuje.

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La fuerza aplicada y la fuerza de empuje

A la fuerza aplicada en  algunas ocasiones se le llama fuerza de empuje.  Pero su definición es:  Fuerza externa que actúa directamente sobre un cuerpo.  Mientras que la fuerza de empuje se define como la fuerza de reacción descrita cuantitativamente por la tercera ley de Newton y se fundamenta en la acción y reacción.  Fuerza Aplicada y fuerza de empuje (“thrust”) son dos conceptos distintos.

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Laboratorio

Utilice la siguiente simulación para describir las fuerzas de interacción entre los objetos. Explique el movimiento, la fricción y la aceleración de los objetos en téminos de la fuerza. Prepare una tabla de datos donde anotará sus observaciones sobre las variables que ofrece cada sección de la simulación. Discuta sus hallazgos.

PhET Simultations – Forces and motion

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Enlaces externos para explorar

• Simulaciones: PhET
• Conceptos de Física: Hyperphysics
• Tutorial de Física en Inglés: Physics Classroom

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Simulación

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Vídeo

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