Segunda ley de movimiento de Newton

La fuerza es un empujón o un tirón que cambia o tiende a inducir un cambio en el estado del objeto o puede modificar la dirección en la que se mueve el objeto o transformar la forma de un objeto. El cuerpo puede estar en estado de reposo o de movimiento uniforme. La aplicación de fuerza induce una aceleración en el objeto.

El empujón o tirón aplicado a un objeto con masa que hace que cambie su velocidad.

Características de la fuerza:

La fuerza es una cantidad vectorial, es decir, está asociada tanto con la magnitud como con la dirección.
La unidad SI de medida de la fuerza es Newton, denotada por N.
Representado por el símbolo F.

Efectos de la Fuerza:

Puede inducir un cambio en la velocidad de un cuerpo.
Puede inducir un cambio en la dirección de la fuerza y el movimiento de un cuerpo.
Puede inducir un cambio en la forma de un cuerpo.

fórmula para la fuerza

La cantidad de fuerza (F) se puede expresar como un producto vectorial de la masa (m) y la aceleración (a), ya que la aceleración es una cantidad vectorial.

Matemáticamente,

F = mamá

Dónde,

m = masa

a = aceleración

La fuerza se mide en Newton (N) o Kg m/s ² .

Fuerzas equilibradas y desequilibradas

Hay dos tipos de fuerzas, las fuerzas equilibradas y las fuerzas desequilibradas:

Fuerzas Equilibradas
Cualquier objeto cuando se somete a fuerzas de igual magnitud desde diferentes direcciones, de modo que los efectos de estas fuerzas se anulan en presencia de los demás, se denominan fuerzas equilibradas. Dado que los objetos experimentan una fuerza de cancelación total, el estado de reposo o movimiento de un objeto permanece sin modificar. Sin embargo, puede cambiar la forma o el tamaño de un objeto.

Características de las fuerzas equilibradas
- Las fuerzas equilibradas no provocan ningún cambio en el estado de un objeto.
- Las fuerzas equilibradas son iguales en magnitud y opuestas en dirección.
- Las fuerzas equilibradas pueden cambiar la forma y el tamaño de un objeto.

Ejemplo: cuando se presiona un globo desde lados opuestos, se modifica el tamaño y la forma del globo.

Fuerzas desequilibradas
Cuando las fuerzas aplicadas a un objeto desde diferentes direcciones son de diferente magnitud, pueden transformar el estado de reposo o movimiento de un objeto, es decir, incluso pueden causar aceleración en un objeto en la dirección de mayor aplicación de la fuerza. Pueden inducir un cambio en la forma y el tamaño de un objeto.

Características de las fuerzas desequilibradas
- Las fuerzas desequilibradas pueden cambiar la velocidad y la posición de un objeto.
- Las fuerzas desequilibradas pueden cambiar la forma y el tamaño de un objeto.

Ley de movimiento de Newton

La rama de la física que se ocupa de los movimientos simulados de todos los cuerpos familiares y de gran escala en el universo, por ejemplo, los automóviles, los planetas y los humanos, se incluye en la mecánica clásica, estipulada por Newton. En comparación, el movimiento de objetos atómicos y subatómicos minuciosamente pequeños está cubierto por la rama de la mecánica cuántica, estipulada por Euler.

Las siguientes son las leyes del movimiento de Newton:

Ley de la inercia: la primera ley de Newton establece que, si un cuerpo está en reposo o se mueve a una velocidad constante en línea recta, permanecerá en reposo o seguirá moviéndose en línea recta a una velocidad constante a menos que un elemento externo actúe sobre él. fuerza actuante.
La segunda ley establece que la tasa de cambio de la cantidad de movimiento de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada a cualquier objeto de masa constante.
La tercera ley establece que cuando un objeto aplica una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza sobre el primer objeto que es igual en magnitud y dirección opuesta.

Segunda ley del movimiento

La segunda ley del movimiento de Isaac Newton da la relación entre la fuerza y la aceleración de cualquier objeto en el universo. Este postulado establece que:

La tasa de cambio del momento de un objeto es proporcional a la fuerza desequilibrada aplicada, en la dirección de la fuerza.

La tasa de cambio del impulso de un objeto es proporcional a la fuerza aplicada.

Matemáticamente,

Fuerza∝\frac{Cambio\ en\ Momentum}{Tiempo\ Tomado}

Impulso

La cantidad de movimiento de un cuerpo es el producto de la masa del cuerpo y su velocidad asociada. La cantidad de movimiento se puede considerar como una cantidad vectorial, es decir, tiene tanto una magnitud como una dirección asociadas. Por la segunda ley del movimiento, la tasa de cambio del momento en el tiempo es igual a la fuerza que actúa sobre la partícula.

Por la fórmula, tenemos,

Momento = Masa × Velocidad

Consideremos un objeto de masa m que se mueve a lo largo de una línea recta con una velocidad inicial de um/s.

Se acelera uniformemente a la velocidad v en el tiempo t mediante la aplicación de una fuerza constante F a lo largo del tiempo t.

El momento inicial y final del objeto será,

p1 = mu y p2 = mv respectivamente.

El cambio en la cantidad de movimiento está dado por ,

p2 – p1 = m × (v – u)

Tasa de cambio de impulso = $\frac{m\times(v-u)}{t}$

Dado que la fuerza aplicada es proporcional a la tasa de cambio del momento,

Por lo tanto, tenemos,

$Force\propto\frac{Change\ in\ momentum}{Time\ taken}\\ Force\propto\frac{m\times(v-u)}{t}\\ Thus,\\ Force (F)=\frac{km\times(v-u)}{t}=kma$

………ecuación (1)

Aquí,

a = $\frac{v-u}{t}$ , que es la aceleración que es la tasa de cambio de la velocidad.

Se supone que la cantidad k es una constante de proporcionalidad.

La unidad de fuerza se elige de tal manera que el valor de la constante k sea equivalente a 1.

Para ello, una unidad de fuerza se define como la cantidad que produce una aceleración de 1 ms ^-2 en un objeto de 1 kg de masa.

Eso es,

1 unidad de fuerza = k × (1 kg) × (1 ms ^-2 ).

Por lo tanto, el valor de k se convierte en 1.

De la ecuación (1)

F = mamá

La unidad de fuerza es kg ms ^-2 o Newton, que tiene el símbolo N (newton) .

La segunda ley del movimiento nos da un método para medir la fuerza que actúa sobre un objeto como producto de su masa y la aceleración asociada.

Derivación de la segunda ley del movimiento

Tenemos,

Momento inicial p ₁ = mu

Momento final p ₂ = mv

Por lo tanto,

Cambio en el impulso = p ₂ – p ₁ = mv – mu = m(v – u)

Cumpliendo con la segunda ley del movimiento,

Fuerza F ∝ $\frac{Change\ in\ momentum}{Time}$

F∝ $\frac{p_2-p_1}{t}\\ F∝\frac{m(v-u)}{t}\\ F∝ma\ \ \ \ \ \ \ \left[where,\ \frac{v-u}{t}=a\right]\\ F=kma$

Supongamos, la constante de proporcionalidad,

k = 1

Por lo tanto,

F = ma, lo que implica que la fuerza es equivalente al producto de la masa por la aceleración del cuerpo.

Para cambiar la masa

Supongamos que un cuerpo está en un punto inicial (0) especificado en la ubicación L ₀ y en el instante de tiempo t ₀ . Supongamos que el cuerpo tiene masa m ₀ y viaja con una velocidad uniforme v ₀ .

Al someter el cuerpo a una fuerza F, el cuerpo se desplaza al punto 1, situado en el lugar L ₁ y llega a este punto en el instante t ₁ .

La masa y la velocidad del cuerpo se transforman a medida que el cuerpo viaja a v ₁ .

Derivando los valores de m ₁ y v ₁ , obtenemos,

F= $\frac{m_1v_1-m_0v_0}{t_1-t_0}$

$F=\frac{m_1v_1-m_0v_0}{t_1-t_0}$

Para masa constante

Para una masa constante, la segunda ley de Newton se puede igualar de la siguiente manera:

$F=m\frac{v_1-v_0}{t_1-t_0}$

Aplicación de la Segunda Ley (o segunda ley del movimiento en la vida cotidiana)

La aplicación de la segunda ley del movimiento se puede ver al identificar la cantidad de fuerza necesaria para hacer que un objeto se mueva o se detenga. Los siguientes son algunos ejemplos que hemos enumerado para ayudarlo a comprender este punto:

1. En el campo de cricket, el fildeador tira de sus manos hacia atrás para atrapar la pelota de cricket que se acerca rápidamente. Esto reduce el impulso de la pelota e induce un retraso. Cuando la pelota llega a la mano del fildeador y se detiene, el impulso de la pelota se reduce a cero. En caso de que la pelota se detenga repentinamente, el impulso llega a 0 en un marco de tiempo instantáneo. Hay una tasa rápida de cambio en el impulso debido a que la mano del jugador puede lesionarse. Por lo tanto, tirar de la mano hacia atrás de un fildeador provoca un retraso en el cambio de impulso para que se convierta en cero, para evitar lesiones.

2. Patear una pelota: cuando pateamos una pelota, ejercemos fuerza en una dirección específica, que es la dirección en la que viajará. Además, cuanto más fuerte se patea la pelota, mayor es la fuerza que le ponemos y más lejos viajará.

3. Empujar un carrito: dado que la fuerza es directamente proporcional a la masa del objeto, podemos observar que es más fácil empujar un carrito vacío en un supermercado que empujar uno cargado. Una masa más pesada al aplicar la misma fuerza tiende a mostrar una aceleración menor.

4. Dos personas caminando – La persona más pesada tiende a caminar más despacio que la más delgada, al ejercer la misma fuerza porque la aceleración de la persona que pesa menos es mayor.

5. Es más fácil empujar un automóvil que un camión con la misma cantidad de fuerza ya que la masa del automóvil es menor que la masa del camión.

6. En el juego de golf, el cambio en la aceleración de la pelota de golf es directamente proporcional a la fuerza con la que el jugador la golpea a través de un palo de golf.

7. El cohete tiende a moverse más rápido debido a la fuerza aplicada conocida como empuje y experimenta un cambio en la aceleración y es un ejemplo de la segunda ley de movimiento de Newton.

Problemas de muestra

Ejemplo 1. Averigüe ¿Cuánta fuerza neta se necesitará para acelerar un camión de 2500 kg a 5,50 m/s ² ?

Solución:

Aquí tenemos,

Aceleración (a) = 5,50 m/s ²

Masa del Camión (m)= 2500 kg

Por eso,

Fuerza = masa × aceleración

F = 2500 × 5,5

F = 13750 N

Se necesitará una fuerza neta para acelerar un camión de 2500 kg a 5,50 m/ ^s2 es 13750 N.

Ejemplo 2. ¿Qué pasará si se aplica una fuerza neta de 6 N sobre un material de 0,5 kg? ¿Calcular la aceleración del material?

Solución:

Aquí tenemos

Fuerza (F) = 6 N

Masa (m) = 0,5 kg

aceleración (a) = ?

Fuerza = masa × aceleración

F = metro × un

un = $\frac{F}{m}$

un = $\frac{6}{0.5}$

a = 12 m/s ²

La aceleración del material es de 12 m/s ²

Ejemplo 3: ¿Qué pasará cuando se aplique constantemente una fuerza neta de 70 N sobre un cuerpo de 1,4 kg en reposo? ¿Qué tiempo tardará en alcanzar la velocidad de 150 m/s?

Solución:

Aquí tenemos

Fuerza (F) = 70 N

Masa del cuerpo (m) = 1,4 kg

Velocidad inicial = 0 m/s (cuando el cuerpo está en reposo)

Velocidad final = 150 m/s

Tenemos que encontrar t = ?

primero encuentra la aceleracion

Fuerza = masa × aceleración

F = metro × un

un = $\frac{F}{m}$

un = $\frac{70}{1.4}$

a = 50 m/s ²

Ahora usa esta ecuación de movimiento

v = tu + en

150 = 0 + (50 × t)

150 = 50 × t

t = $\frac{150}{50}$

t = 3 seg

Ejemplo 4. Cuando la locomotora de un tren de 2500 kg de masa se mueve con cierta velocidad. Si el motor después de aplicar los frenos se detiene, después de aplicar los frenos, el motor recorre unos 40 m cuando la resistencia promedio que se le ofrece es de 5000 N. ¿Calcule la velocidad del motor del tren?

Solución:

Aquí tenemos

Masa del Tren (m) = 2500 kg

Fuerza (F) = – 5000 N (cuando se aplica una fuerza de frenado negativa)

Distancia (s) = 40 m

Velocidad final (v) = 0 m/s

Tenemos que encontrar la velocidad inicial u = ?

Fuerza = masa × aceleración

primero encuentra la aceleracion

F = metro × un

un = $\frac{F}{m}$

un = $\frac{-5000}{2500}$

a = -2 m/s ²

Ahora usaremos esta ecuación de movimiento.

v ² = tu ² + 2 como

0 = tu ² + {2 × (-2) × 40}

tu = 160 m/s

La velocidad inicial de la locomotora del Tren era de 160 m/s

Ejemplo 5. Si un piloto de carreras en una pista de carreras para adelantar acelera su coche de carreras primero a razón de 8 m/s ² y luego a razón de 16 m/s ² . ¿Encuentre la relación de las fuerzas ejercidas por el motor para el cambio de aceleración?

Solución:

Aquí tenemos

a ₁ = 8 m/s ²

a2 ₌ 16 m/ ^s2

Tenemos que encontrar la razón de $\frac{F_1}{F_2}$

$\frac{F_1}{F_2}=\frac{ma_1}{ma_2}$

La masa del coche de carreras será la misma en ambos casos.

$\frac{F_1}{F_2}=\frac{a_1}{a_2}=\frac{8}{16}=\frac{1}{2}$

$\frac{F_1}{F_2}=1:2$

Ejemplo 6. Si un cuerpo de 10 kg de masa se mueve con una velocidad constante de 4 m/s sobre un suelo sin fricción. ¿Cuál será la fuerza requerida para mantener el cuerpo en movimiento con la misma velocidad?

Solución:

Aquí tenemos

Masa (m) = 10 kg

aceleración (a) = 0

Tenemos que encontrar F = ?

Fuerza = masa × aceleración

F = 10 × 0

F = 0

Ejemplo 7. Cuando se dispara una bala de 20 g de masa desde un arma que tiene una velocidad inicial de 40 m/s, la masa del arma es de 5 kg. ¿Cuál es la velocidad de retroceso inicial del arma?

Solución:

Aquí tenemos

masa de la bala (m ₁ ) = 20 g o 0,02 kg

masa del arma (m ₂ ) = 5 kg

Velocidad inicial = 40 m/s

Por la ley de conservación de la cantidad de movimiento,

0 = 0,02 × 40 + 5 × v

5 × v = -0,8

v = $\frac{-0.8}{5}$

v = -0,16 m/s

Publicación traducida automáticamente

Artículo escrito por codersgram9 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA

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