El arrastre, en el contexto de la Dinámica de fluidos, hace referencia a las fuerzas que actúan sobre un objeto sólido en la dirección de la velocidad relativa del flujo del fluido. Las fuerzas aerodinámicas sobre un cuerpo provienen principalmente de las diferencias de presión y de los esfuerzos de cizalla viscosos. Por esta razón la fuerza de arrastre puede dividirse en dos componentes: el arrastre de fricción (arrastre viscoso) y el arrastre de presión (arrastre de forma). La ley de Stokes para una esfera resulta de la suma de ambas, aunque no lo parezca (pesando la fuerza viscosa con un factor 2/3 y la de presión con 1/3). De la ley de Stokes se ha generalizado a la ley de fuerzas (empírica) expresada como -b v^gamma.
Desmontando la fuerza de rozamiento estático
Existen ciertas ideas erróneas sobre la fuerza de rozamiento estático, propias de la ciencia fricción:
- No aparece fuerza de rozamiento estático si no existe fuerza externa aplicada que provoque o pretenda el movimiento. ¿Y qué ocurre durante el trazado de una curva?
- La fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento absoluto. En realidad, se opone al intento de movimiento o movimiento manifiesto, pero siempre relativo.
- La fuerza de rozamiento se aplica en el mismo punto que la normal. En realidad, se aplica a lo largo de la superficie de contacto mutuo. Lo que sí es cierto es que la fuerza de rozamiento siempre es perpendicular a la fuerza normal entre superficies en contacto, por lógica.
- La fuerza de rozamiento estático es igual al coeficiente de rozamiento estático multiplicado por la fuerza normal. No, eso sólo ocurre en el caso de fuerza de rozamiento estático máxima (movimiento relativo incipiente). En el resto de casos es una incógnita del problema.
- La fuerza de rozamiento estático no realiza trabajo. No, no participa en el intento de movimiento relativo pero sí podría participar del movimiento absoluto. En el caso de la rodadura (=traslación del centro de masas), si entendemos la fuerza de rozamiento estático (fuerza de cuerpo) como aplicada en el centro de masas, ésta realiza un trabajo no nulo que coincide con el trabajo del momento de dicha fuerza respecto del centro de masas.
- La fuerza de rozamiento estático en el límite (movimiento incipiente), coincide con la fuerza de rozamiento dinámico. No, existe una discontinuidad entre movimiento incipiente (v=0) y movimiento explícito (v≠0) que se traslada a la fuerza de rozamiento.
- La fuerza normal es el peso. No en general. Incline una balanza y pese un objeto sobre ella. La balanza mide la reacción normal sobre ella.
- La fuerza de rozamiento siempre es menor que la fuerza normal. Pueden existir coeficientes de rozamiento mayores que la unidad.
- La fuerza de rozamiento estático justifica la rodadura. Rotundamente no. Para observar el movimiento de rodadura debe ocurrir una condición cinemática sin origen dinámico. Si utilizamos el modelo de engranajes (cremallera) entre superficie de apoyo y cuerpo rodante, puede darse la situación en la que el cuerpo se mueva de manera limpia entre los salientes del engranaje del apoyo [1], sin ejercer ninguna fuerza cortante, en consecuencia, la superficie de apoyo no reacciona con otra fuerza cortante opuesta. Sin embargo, si el cuerpo rodante tiene cierta tendencia a caer por acción del peso o a salirse de una curva, existirá un esfuerzo cortante sobre la superficie de contacto, al que reaccionará ésta en forma de fuerza de rozamiento estático.
- La fuerza de rozamiento estático no es una fuerza de ligadura porque no lleva la dirección normal al apoyo. No. Es una fuerza de ligadura cortante, de origen cinemático. Se puede entender como una fuerza de retención y que sólo tiene sentido cuando hay intento de movimiento. Debido a esta naturaleza, en los desplazamientos virtuales no es posible considerar la fuerza de rozamiento estático como de ligadura (apoyo) sino como fuerza activa de retención capaz de realizar trabajo virtual aunque sea incapaz de realizar trabajo real.
Elongación y deformación
La elongación de una masa m unida a un muelle k se define como la posición de la masa con respecto a la posición de equilibrio del sistema masa-muelle. En el caso de un muelle vertical del que cuelga una masa con todo el sistema en reposo, la elongación es cero, pero la deformación del muelle es positiva por efecto del peso de la masa. Si la masa oscilara, la elongación sería positiva, negativa o cero según el movimiento instantáneo de la masa, mientras la deformación del muelle cambia. La única relación de cierre entre elongación y deformación es que la primera es igual a la segunda menos la deformación en la posición de equilibrio. Precisamente, este cambio de variable permite escribir la ecuación del movimiento del tipo M.A.S: mẍ=-kx donde x es la elongación y ẍ la derivada temporal segunda de la elongación.
Demostración de la Tercera Ley de Newton
La 3ª ley de Newton resulta difícil de asimilar intuitivamente pues no se comprende que objetos muy distintos, en masa, carga, etc., sufran la misma fuerza al interaccionar, aunque como resultado sus movimientos sean muy distintos por la inercia de cada uno. Siempre podemos recurrir al retroceso de una escopeta o arma tras disparar un proyectil. Sean dos imanes, uno de ellos muy intenso (grande). Agarramos el menos intenso (pequeño) y lo acercamos al más intenso previamente en reposo. Podemos ver cómo éste se acerca rápidamente a la mano hasta pegarse al segundo imán con sus respectivos polos contrapuestos. Pareciera que es el pequeño imán el que atrae al imán grande., y así es pues ambos se atraen con la misma fuerza. Este experimento también se podría hacer con dos cargas eléctricas. En otro sentido, ¿qué fuerza ejerce un solenoide recorrido por una intensidad sobre un imán que lo atraviesa? La misma, pero de sentido opuesto, que la que ejerce el imán (campo magnético) sobre el solenoide conductor.
Fuerzas internas
En el tratamiento de sistemas de partículas, se usa una serie de aproximaciones referidas a las fuerzas internas que parecen funcionar como generalidades. Así, cuando aplicamos la 3ª ley de Newton (que no siempre se cumple, ej. fuerza magnética entre cargas en movimiento), estamos suponiendo interacciones a pares. Por otro lado, cuando decimos que las fuerzas internas siguen la misma directriz (aunque no se aplican en el mismo punto), estamos suponiendo fuerzas internas centrales. Sin embargo, en general, las consideraciones anteriores no son necesarias si postulamos que (todas) las fuerzas internas no realizan trabajo virtual neto bajo un desplazamiento virtual uniforme (traslación pura o rotación pura) [1]. Por ambos enfoques, se llega a idénticos resultados sobre magnitudes netas (fuerza interna neta y momento interno neto). No confundamos el todo por la parte.