Cuando se introducen las fuerzas de ligadura, se indica que su dirección es normal al área de contacto mutuo entre cuerpos ligados, aunque también se dice que son incógnitas del problema. En sistemas en rotación, la fuerza de reacción debe cumplir con la 2ª Ley de Newton compensando en parte la acción del peso y la otra parte justificando la acción de giro: tanto en términos de aceleración normal como tangencial. Esto puede llevar a que la reacción no sea tan sencilla de encontrar, especialmente en movimientos circulares variables donde existe aceleración tangencial.
Darse golpes contra la pared
El principio de conservación de la cantidad de movimiento no se cumple en los choques contra una pared porque las fuerzas implicadas son impulsivas (muy intensas y breves). Sin embargo, la energía (cinética) se puede conservar o no según el tipo de choque. El coeficiente de restitución e (dato de entrada) da idea de la pérdida de velocidad (módulo) en el choque, siendo 1 para el choque completamente elástico y 0 para el completamente plástico.
En términos relativos, la velocidad relativa del cuerpo móvil cambia de sentido tras el choque con la pared como ocurre en el choque frontal de un cuerpo ligero contra otro muy masivo.
Cuando una bola choca oblicuamente contra una pared, la componente tangencial de la velocidad se conserva, pero la componente normal no necesariamente (disminuyendo), lo que producirá diferente ángulo de salida con respecto al de llegada a la pared: e=tan α/tan β. En la dualidad onda-corpúsculo, la ley de reflexión de Snell se cumple también para un choque oblicuo con e=1.
Colisiones chocantes
En el tratamiento de interacciones entre dos cuerpos entendidas como colisiones, existen algunas ideas erróneas:
- El sentido del movimiento tras un choque perfectamente elástico es desconocido, existiendo siempre dos posibilidades
- De un choque perfectamente elástico entre un cuerpo móvil y otro en reposo, el primer cuerpo siempre retrocede
- En un choque perfectamente elástico siempre existe una fuerza interna recuperadora como la ley de Hooke predice
- El choque frontal contra una pared siempre es perfectamente elástico porque la pared (inercia infinita) no se mueve nunca y el objeto móvil siempre retrocede
La mal llamada fuerza viscosa
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.