5.1 Fuerzas

La dinámica es el estudio de cómo las fuerzas inciden en el movimiento de los objetos, mientras que la cinemática simplemente describe la forma en que se mueven los objetos.
La fuerza es un empujón o tirón, que puede definirse en términos de varias normas, y es un vector que tiene tanto magnitud como dirección.
Las fuerzas externas son cualquier fuerza exterior que actúe sobre un cuerpo. Un diagrama de cuerpo libre es un dibujo de todas las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo.
La unidad de fuerza del SI es el newton (N).

5.2 Primera ley de Newton

Según la primera ley de Newton, deberá haber una causa para que se produzca cualquier cambio de velocidad (un cambio de magnitud o de dirección). Esta ley también se conoce como la ley de la inercia.
La fricción es una fuerza externa que hace que un objeto desacelere.
La inercia es la tendencia de un objeto a permanecer en reposo o en movimiento. La inercia está relacionada con la masa de un objeto.
Si la velocidad de un objeto con respecto a un marco determinado es constante, entonces el marco es inercial. Esto significa que, en un marco de referencia inercial, la primera ley de Newton es válida.
El equilibrio se alcanza cuando las fuerzas sobre un sistema están equilibradas.
Una fuerza neta cero significa que un objeto está en reposo o se mueve con velocidad constante; es decir, no acelera.

Una fuerza externa actúa sobre un sistema desde fuera, a diferencia de las fuerzas internas, que actúan entre los componentes del sistema.
La segunda ley del movimiento de Newton establece que la fuerza externa neta sobre un objeto con una determinada masa es directamente proporcional y en la misma dirección que la aceleración del objeto.
La segunda ley de Newton también puede describir la fuerza neta como la tasa de cambio instantáneo del momento. Por lo tanto, una fuerza externa neta provoca una aceleración distinta a cero.

La masa es la cantidad de materia de una sustancia.
El peso de un objeto es la fuerza neta sobre un objeto que cae, o su fuerza gravitatoria. El objeto experimenta una aceleración debida a la gravedad.
Una fuerza de resistencia ascendente del aire actúa sobre todos los objetos que caen en la Tierra, por lo que nunca pueden estar realmente en caída libre.
Hay que distinguir cuidadosamente entre la caída libre y la ingravidez mediante la definición de peso como fuerza debida a la gravedad que actúa sobre un objeto de cierta masa.

La tercera ley del movimiento de Newton representa una simetría básica en la naturaleza, con una fuerza experimentada igual en magnitud y opuesta en dirección a una fuerza ejercida.
Dos fuerzas iguales y opuestas no se anulan porque actúan sobre sistemas diferentes.
Los pares de acción y reacción incluyen a una nadadora que se impulsa desde una pared, a los helicópteros que crean sustentación al empujar el aire hacia abajo y a un pulpo que se propulsa hacia adelante expulsando agua de su cuerpo. Una fuerza de reacción de empuje impulsa los cohetes, los aviones y los autos hacia delante.
La elección de un sistema es un paso analítico importante para comprender la física de un problema y resolverlo.

Cuando un objeto descansa en una superficie, esta aplica una fuerza al objeto que soporta su peso. Esta fuerza de soporte actúa de forma perpendicular y alejada de la superficie. Se denomina fuerza normal.
Cuando un objeto descansa sobre una superficie horizontal no acelerada, la magnitud de la fuerza normal es igual al peso del objeto.
Cuando un objeto descansa en un plano inclinado que forma un ángulo $θ$ con la superficie horizontal, el peso del objeto puede resolverse en componentes que actúan perpendicular y paralelamente a la superficie del plano.
La fuerza de tracción que actúa a lo largo de un conector flexible estirado, como una cuerda o un cable, se llama tensión. Cuando una cuerda soporta el peso de un objeto en reposo, la tensión en la cuerda es igual al peso del objeto. Si el objeto está acelerando, la tensión es mayor que el peso, y si está desacelerando, la tensión es menor que el peso.
La fuerza de fricción es una fuerza que experimenta un objeto en movimiento (o un objeto que tiene tendencia a moverse) paralela a la interfaz que se opone al movimiento (o a su tendencia).
La fuerza desarrollada en un resorte obedece a la ley de Hooke, según la cual su magnitud es proporcional al desplazamiento y tiene un sentido en la dirección opuesta al desplazamiento.
Las fuerzas reales tienen un origen físico, mientras que las fuerzas ficticias se producen porque el observador se encuentra en un marco de referencia acelerado o no inercial.

Para dibujar un diagrama de cuerpo libre, dibujamos el objeto de interés, dibujamos todas las fuerzas que actúan sobre ese objeto y resolvemos todos los vectores de fuerza en componentes x y y. Debemos dibujar un diagrama de cuerpo libre distinto para cada objeto del problema.
El diagrama de cuerpo libre sirve para describir y analizar todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo con el fin de determinar el equilibrio, según la primera ley de Newton, o la aceleración, según la segunda ley de Newton.