Unidad 2 · Fuerza

Tipos de fuerza: peso, normal, roce y tensión

Un libro descansa sobre tu mesa. Aunque parezca que no pasa nada, sobre él actúan al menos dos fuerzas: la Tierra lo atrae hacia abajo y la mesa lo empuja hacia arriba. En cada escena cotidiana —caminar, colgar una lámpara, frenar una bicicleta— se reparte un puñado de fuerzas con nombre propio. Aprender a reconocerlas es el primer paso para dibujar un diagrama de cuerpo libre.

Lectura ~12 min · Nivel: 2° medio

Escena cotidiana con vectores de fuerza superpuestos: un libro sobre una mesa con una flecha hacia abajo y otra hacia arriba, una caja sobre una rampa, y una lámpara colgando de un cable, sugiriendo peso, normal, roce y tensión.
Peso, normal, roce y tensión son las cuatro fuerzas que más aparecen en la vida diaria. Reconocerlas y ubicarlas es el corazón de la dinámica de 2° medio.

En el tema anterior vimos qué es una fuerza: una interacción entre cuerpos que tiene magnitud, dirección y sentido, y que se mide en newton (N). Ahora vamos a ponerle nombre y apellido a las fuerzas que aparecen una y otra vez cuando estudiamos objetos reales. Casi todos los problemas de mecánica de este curso se arman combinando solo cuatro: peso, fuerza normal, roce y tensión.

Una distinción útil antes de empezar: algunas fuerzas necesitan que dos cuerpos se toquen (son fuerzas de contacto) y otras actúan aunque no haya contacto (son fuerzas a distancia). La normal, el roce y la tensión son de contacto; el peso, en cambio, es una fuerza a distancia: la Tierra atrae al cuerpo sin tocarlo.


El peso: la Tierra tira de todo hacia abajo

El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo por efecto de la gravedad. Apunta siempre hacia abajo, es decir, hacia el centro de la Tierra, y está presente lo tengamos apoyado, colgando o cayendo. Su magnitud se calcula multiplicando la masa del cuerpo por la aceleración de gravedad:

P = m · g

donde m es la masa en kilogramos y g es la aceleración de gravedad. En la superficie terrestre g ≈ 10 m/s² (su valor más preciso es 9,8 m/s², pero para calcular sin calculadora usaremos 10). Como el peso es una fuerza, se expresa en newton, no en kilogramos.

cuerpo P = m·g superficie terrestre hacia el centro
Figura 1. El peso se dibuja como un vector que sale del cuerpo y apunta verticalmente hacia abajo, hacia el centro de la Tierra. No importa si el cuerpo está apoyado, colgando o cayendo: el peso siempre está presente y siempre apunta en esa dirección.

Ejemplo resuelto: el peso de una mochila

Una mochila tiene una masa de m = 5 kg. ¿Cuál es su peso en la superficie de la Tierra?

P = m · g = 5 kg · 10 m/s² = 50 N

La mochila pesa 50 N. Fíjate en que su masa es 5 kg, pero su peso es 50 N: son dos cantidades distintas, con distintas unidades.

Peso no es lo mismo que masa

Este es uno de los puntos que más se confunden, y conviene fijarlo bien. La masa mide la cantidad de materia de un cuerpo; es una propiedad intrínseca que no cambia aunque lo lleves a la Luna, a Marte o al espacio. El peso, en cambio, es una fuerza: depende del valor local de la gravedad, así que el mismo cuerpo pesa distinto en distintos lugares.

Masa y peso de un mismo cuerpo en distintos lugares
MagnitudQué mideUnidad¿Cambia con el lugar?
MasaCantidad de materiakilogramo (kg)No: es la misma en todo el universo
PesoFuerza gravitatorianewton (N)Sí: depende del valor local de g

Tomemos la mochila de 5 kg del ejemplo y comparemos su peso en tres lugares. En la Luna la gravedad es mucho más débil: g ≈ 1,6 m/s².

La misma mochila (masa = 5 kg) en la Tierra y en la Luna
Lugarg (m/s²)Masa (kg)Peso = m·g (N)
Tierra10550
Luna1,658

La masa se mantiene en 5 kg en ambos lugares, pero el peso baja de 50 N a solo 8 N: en la Luna la mochila pesa poco más de la sexta parte que en la Tierra. Por eso los astronautas dan esos saltos tan largos.


La fuerza normal: la superficie empuja de vuelta

Si el peso empuja al libro hacia abajo, ¿por qué el libro no atraviesa la mesa y cae al suelo? Porque la mesa lo empuja de vuelta. Esa fuerza que una superficie de apoyo ejerce sobre el cuerpo que descansa en ella se llama fuerza normal. La palabra «normal» aquí es un término geométrico: significa perpendicular. La fuerza normal siempre es perpendicular a la superficie de contacto.

Sobre una mesa horizontal, la superficie es horizontal, así que su perpendicular apunta verticalmente hacia arriba. Como el libro está en reposo, la normal y el peso se equilibran: tienen igual magnitud y sentidos opuestos.

mesa libro N P
Figura 2. Un libro en reposo sobre una mesa horizontal. La normal (N) apunta hacia arriba, perpendicular a la mesa; el peso (P) apunta hacia abajo. Como el libro no se mueve, ambas fuerzas tienen la misma magnitud y se equilibran (N = P).

Ejemplo resuelto: la normal sobre un libro

Un libro de m = 2 kg descansa en reposo sobre una mesa horizontal. ¿Cuánto vale la fuerza normal?

Primero el peso: P = 2 kg · 10 m/s² = 20 N. Como el libro está en reposo sobre una mesa horizontal y no hay otras fuerzas verticales, la normal debe equilibrar al peso:

N = P = 20 N

Ahora bien, cuidado con generalizar. La normal iguala al peso solo en este caso particular: superficie horizontal, sin fuerzas verticales extra. Si empujas el libro hacia abajo con la mano, o si la superficie está inclinada, la normal ya no vale lo mismo que el peso.

Cuando la superficie está inclinada

La normal es perpendicular a la superficie, no al suelo. En una rampa inclinada, la superficie de contacto está inclinada, así que la normal también sale inclinada: no apunta verticalmente hacia arriba, y su magnitud resulta menor que el peso.

θ bloque N P
Figura 3. En un plano inclinado la normal (N) sale perpendicular a la rampa —oblicua, no vertical— mientras que el peso (P) sigue apuntando recto hacia abajo. Aquí la normal no apunta hacia arriba ni iguala al peso: es más pequeña.

El roce: la fuerza que se opone al deslizamiento

Empuja un libro pesado sobre la mesa: al principio no se mueve, y cuando por fin desliza, tienes que seguir empujando para que no se detenga. Lo que se opone a ese deslizamiento es el roce (o fricción), una fuerza de contacto que aparece entre dos superficies y que siempre apunta en contra del movimiento (o del intento de movimiento).

El roce tiene dos «versiones», según si el cuerpo ya se mueve o todavía no:

F f F empuja · f se opone F aplicada f (roce) máx. cin. estático (en reposo) cinético (deslizando)
Figura 4. Izquierda: al empujar el bloque con una fuerza F, el roce f aparece en sentido contrario. Derecha: mientras el bloque no se mueve, el roce estático crece igualando a la fuerza aplicada (recta azul) hasta un máximo; justo ahí el bloque arranca y el roce cae a un valor constante, el roce cinético (violeta), algo menor que el máximo estático.

El roce no siempre es el enemigo

Es tentador pensar que el roce solo estorba —desgasta las piezas, frena lo que queremos mover, obliga a gastar más energía—. Y a veces es así. Pero el roce también trabaja a nuestro favor todo el tiempo:


La tensión: la fuerza que viaja por una cuerda

Cuelga una lámpara del techo con un cable. El peso tira de la lámpara hacia abajo, pero la lámpara no cae: el cable la sostiene. La fuerza que se transmite a lo largo de una cuerda, hilo o cable tenso, tirando de los cuerpos unidos a sus extremos, se llama tensión.

Una cuerda solo puede tirar, no empujar. Por eso la tensión sobre un cuerpo colgante apunta a lo largo de la cuerda, alejándose del cuerpo, hacia el punto de sujeción.

techo cuerda cuerpo T P
Figura 5. Un cuerpo cuelga en reposo de una cuerda. La tensión (T) tira hacia arriba, a lo largo de la cuerda; el peso (P) tira hacia abajo. En equilibrio ambas se igualan: T = P.

Ejemplo resuelto: una lámpara colgante

Una lámpara de m = 3 kg cuelga en reposo de un cable. ¿Cuál es la tensión del cable?

El peso de la lámpara es P = 3 kg · 10 m/s² = 30 N. Como la lámpara está en equilibrio (no se mueve), la tensión debe equilibrar al peso:

T = P = 30 N

El cable soporta una tensión de 30 N. Si el cable resistiera menos que eso, se cortaría y la lámpara caería.


Las cuatro fuerzas de un vistazo

Reunamos todo en una tabla. Cuando dibujes un diagrama de cuerpo libre, esta será tu lista de sospechosas habituales: pregúntate cuáles actúan sobre el cuerpo y en qué dirección va cada una.

Peso, normal, roce y tensión: identidad, dirección y tipo
FuerzaSímboloDirecciónTipo
PesoPVertical, hacia abajo (al centro de la Tierra)A distancia (gravedad)
NormalNPerpendicular a la superficie de apoyoDe contacto
RocefParalela a la superficie, opuesta al movimientoDe contacto
TensiónTA lo largo de la cuerda, siempre tirandoDe contacto

Estas fuerzas casi nunca aparecen solas: se combinan. Un libro sobre una mesa tiene peso y normal; una caja que empujas por el suelo suma también el roce; un cuerpo colgante combina peso y tensión. Sumar todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo nos dará la fuerza neta, y esa fuerza neta es la que decide, según las leyes de Newton, cómo se moverá el cuerpo.