Si las acciones y la reacción son iguales, ¿por qué se rompen las cosas?

Answer 1

Supongo que estás confundiendo dos hechos. El hecho 1 es el resultado de la tercera ley de Newton que básicamente dice “Ninguna fuerza está sola: existen siempre en pareja. Si existe una fuerza, entonces en algún lugar debe existir una reacción en una referencia galileana”.

El hecho 2 es la capacidad de un cuerpo, por ejemplo una silla, de mantener su configuración cuando se le pide que reaccione a una fuerza externa. Esto es algo completamente diferente.

Si alguien muy gordo se sienta en una silla, se le pide a todas las partes de la silla que creen fuerzas y pares que, colectivamente, crean la reacción de 5000N necesaria para sostener a la persona.

Muchas sillas pueden hacerlo con deformación: las partes que las componen se doblan o comprimen un poco y la distancia aumentada o reducida entre los átomos que resultan de esta deformación crea la fuerza o torque adicional que la silla necesita para sostener a la persona.

Esto no es ilimitado: si aumenta la fuerza requerida, sucede que los átomos que componen la silla deben crear fuerzas superiores a las que pueden generar y la silla se rompe.

Sin embargo, todo este proceso de ruptura sigue rigurosamente la tercera ley de Newton.

APÉNDICE

Para explicar mejor lo que quiero decir, hagamos un ejemplo más simple. Tengo una silla que tiene cerraduras: cuando las cerraduras están abiertas, las piernas giran y dejan caer al hombre.

Mire la imagen A: tenemos una sección 2D de una silla con las cerraduras cerradas. El cuerpo ejerce 1000N hacia abajo sobre la silla y la silla reacciona con 1000N hacia arriba. Las patas transmiten esta fuerza y ​​ejercen 500N cada una (si el peso está perfectamente en el medio) al piso que reacciona con 500N + 500N. 3er principio en acción.

La fuerza general sobre la persona es 0 = 1000N hacia abajo equilibrada por 1000N hacia arriba. Por lo tanto, la persona se queda quieta en la silla. (1er principio en acción)

Ahora abrimos simultáneamente las cerraduras y las patas de la silla comienzan a girar alrededor de las bisagras (es muy poco probable que sucedan cosas simétricamente, pero supongamos que todo es perfectamente simétrico).

Las patas de la silla aceleran la rotación alrededor de las bisagras para que la reacción que puedan crear disminuya debido a las fuerzas de inercia: suponga que 0.05 segundos (imagen B) después de la apertura de la cerradura pueden reaccionar con 400N cada una. El cuerpo todavía tiene su peso de 1000N hacia abajo, pero ahora hay una reacción de 800N hacia arriba. ¿Resultado? 200N (1000-800) hacia abajo -> 2º principio acelera hacia abajo (F = ma, 2º principio en acción)

El cuerpo acelera y alcanza en algunas décimas de segundo el piso.

Algo similar ocurre cuando la silla se rompe: debido a la dinámica de fractura de las fibras de madera, la reacción que la silla puede soportar comienza a bajar, el cuerpo acelera hacia abajo mientras las fibras se rompen. (Toma algo de tiempo)

Por supuesto, este es un modelo 1D hiper simplificado (con respecto a las fuerzas) ya que cuando una silla real se rompe, las cosas son mucho más complicadas debido a los componentes de fuerza en todas las direcciones y las fuerzas de inercia y la fricción de aire y los componentes que tienen menos importancia.

Espero que sea más claro ahora.

Los principios de Newton son principios: siempre son aplicables.

Answer 2

A2A: La respuesta corta es que solo puede ignorar el término F = ma como reacción cuando a priori sabe que el problema es estático (sin movimiento). Como no sabe esto en su pregunta (la fuerza de la silla no está especificada) no puede usar la solución de fuerza estática. Las soluciones estáticas son solo una versión simplificada de la tercera ley dinámica completa de Newton, pero esta simplificación solo es aplicable en ciertas situaciones (donde se observa a ciencia cierta nada se mueve)

Realmente deberías haber aprendido esta limitación cuando te enseñaron las leyes de Newton en la escuela, y es una pena que no lo hayas hecho, así que aquí hay una lección de dinámica y estática:

Vamos a simplificar la pregunta a lo esencial colgando un pequeño peso de una fibra monoatómica (un cable de un átomo de espesor). El peso es lo suficientemente pequeño como para no romper el cable.

Inicialmente, el cable se estirará más o menos de acuerdo con la ley de Hooke F = kx donde x es la extensión (cantidad de estiramiento) del cable yk es una medida de la resistencia del material (una propiedad del mismo).

Así como ponemos el peso en el cable, el cable no se estira en absoluto, por lo que x = 0 y el equilibrio de fuerza es:

ma = mg-kx

Y deberías poder ver que la masa tiene que caer, para estirar el cable, hasta que obtengas una acción igual y opuesta y mg = kx y así ma = 0.

La dinámica es un poco más compleja que eso porque el cable en realidad se comporta como una banda elástica y el peso rebota hacia arriba y hacia abajo varias veces antes de establecerse en una posición estática)

El punto es que solo tiene un problema en estática después de observar que no hay movimiento en su problema (es decir ,ma = 0 y velocidad = 0). Solo entonces se puede inferir que la acción / reacción son iguales, por lo que mg = kx, entonces la extensión x = mg / k.

En su pregunta, el equivalente es FP que comprime la silla un poco para soportar el peso mientras se sientan, y luego no ocurre más movimiento.

Ahora de vuelta al cable. Considere que el cable se romperá cuando la fuerza exceda la fuerza del enlace químico entre dos de los átomos en el cable.

Entonces, elija un peso más grande que eso y repita el experimento colgando el peso en un cable que aún no está estirado:

ma = mg-kx

El peso cae (x = 0, entonces a = g), la extensión x aumenta, mg-kx se hace más pequeño, pero antes de que llegue a cero y eventualmente tenga un problema en estática, F = kx ha aumentado hasta el punto de que el cable se rompe . Entonces el equilibrio de fuerza es ahora:

ma = mg-0.x (donde k = 0 es ahora la expresión matemática de la condición del cable roto)

Y la masa continúa acelerándose debido a la gravedad (en su pregunta, la silla se rompe y FP cae al suelo).

Tenga en cuenta que durante todo el ejercicio en ambos estudios de caso, las Leyes de Newton se cumplen por completo: ma = mg-kx

Espero que esto ayude: solo puede aplicar el argumento de fuerzas estáticas iguales y opuestas después de haber observado que nada se mueve.

Answer 3

Cualquier cuerpo sólido se rompe cuando el estrés desarrollado en el cuerpo en cuestión supera el punto de ruptura o el límite último, que nuevamente depende de la composición material del cuerpo. Por ejemplo, el acero generalmente tiene una mayor resistencia (máxima) en comparación con la madera. Entonces, la fuerza no es un factor limitante para la falla, pero el estrés o la fuerza normalizada con respecto al área sí lo son.

Ahora, la acción y la reacción actúan sobre dos cuerpos diferentes . Entonces, el estrés que se desarrollaría dependería de la construcción geométrica de cada uno de estos cuerpos que interactúan. El hecho de que uno fallara, como se explicó en el párrafo anterior, dependería del hecho de que se exceda o no la fuerza máxima.

Answer 4

La ruptura de la silla es un fenómeno que depende únicamente de la propiedad (elasticidad / módulo de elasticidad de Young ) del material.

Toma otro ejemplo. Si se mantuvo el mismo peso en una silla que está hecha de un material diferente, digamos hierro (Fe), y diseño la silla de tal manera que las patas de la silla sean lo suficientemente fuertes como para soportar la carga. Así observamos:

1. La silla no se romperá (a diferencia del caso anterior)
2. La misma cantidad de fuerza de reacción estaría actuando sobre el cuerpo (pesado) colocado en nuestra nueva silla robusta (según la tercera ley de movimiento de newton)

Por lo tanto, llegamos a saber que el fenómeno del colapso de la silla no está relacionado con la fuerza de reacción, sino que es la calidad del material lo que marca la diferencia.

Answer 5

En realidad, una fuerza de 5000 N en el trasero de una persona probablemente rompería una parte de él, probablemente su espalda. Estamos hablando de 1100 libras. Alguien así no podría soportar su propio peso, incluso sentado, y la razón involucra exactamente su punto: “soportar su peso” significa ser capaz de resistir la fuerza de reacción ejercida sobre usted por lo que sea que esté parado o sentado. El cuerpo humano está construido para resistir la fuerza de un peso humano normal (es decir, de nuevo, la fuerza de reacción que igualará ese peso) y también lo son la mayoría de las sillas. Pero las sillas, los cuerpos y todas las demás cosas sólidas tienen límites para su fuerza, y sí, 2000 N más o menos es probablemente demasiado para una silla barata pero dentro del límite de fuerza de un tipo grande.

Answer 6

Gracias por A2A. Voy a responder su consulta en términos simplistas de Resistencia de materiales.

Para el tema dado, tenemos que analizar el estrés ejercido sobre la silla. Lo más importante, se debe considerar el tipo de material de la silla. Digamos que … la silla que quieres decir es de madera. Entonces este tipo de material es bastante frágil y puede romperse fácilmente. Como el rango del límite elástico de los materiales frágiles es muy pequeño, una vez que una carga pesada actúa sobre él, el esfuerzo ejercido puede ir más allá del límite elástico de ese material frágil. Como resultado, provocaría fracturas. La tercera ley de Newton establece que hay una reacción igual y opuesta para cada acción. Una vez que la carga actúa 5,000 N en una silla de madera ordinaria, la silla de madera empujaría la carga hacia atrás igual que la misma fuerza 5,000 N. Pero como se mencionó, la silla se romperá porque la fuerza de actuación sobre la silla va más allá del límite elástico de material de madera y eso llevaría a la fractura.

Answer 7

Bueno, la silla en ese caso necesita resistir esa fuerza. Si lo hiciera, no se rompería, supongo 😉 La fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración. Entonces, la gravedad aceleraría a ese tipo hacia el suelo si la silla no ejerciera una fuerza contraria, contrarrestando la fuerza debido a la fuerza gravitacional. Ahora tome un palo, por ejemplo, y dóblelo. Mientras se mantenga, sus músculos se sentirán tensos debido a la fuerza contraria. Si aplicas más fuerza, en algún momento el palo se fracturará y tus músculos se relajarán nuevamente, porque la fuerza reactiva desaparece. Eso es lo que sucede, más o menos, cuando la silla se rompe.

Answer 8

Cómo, cuándo y por qué un material se rompe / rompe es su propiedad interna. Cada material tiene su propio módulo de elasticidad, módulo de rigidez, dureza y tenacidad que gobiernan la magnitud de la tensión, torsión e impacto normales que soporta el material, respectivamente. Además, la rotura del material depende de su capacidad para resistir la fuerza debida a la carga que actúa sobre el material.

Por ejemplo, si una fuerza normal actúa sobre una viga, entonces la falla de la viga puede deberse a

• Esfuerzo cortante en cualquier punto que exceda el esfuerzo cortante máximo soportable.
• El esfuerzo axial normal producido a la distancia más lejana del eje neutral debido a la flexión es mayor que el límite.
• El esfuerzo cortante axial producido debido a la flexión es mayor que el límite.

Todos los términos mencionados anteriormente son medidas cuantificadas de propiedades (módulo de elasticidad / rigidez, etc.) del material.

Por lo tanto, la fuerza sobre un objeto no es realmente responsable de la rotura, es propiedad del material resistir esa fuerza responsable.

Además, el diseño del objeto también es una de las causas del fracaso. Existe la posibilidad de que el material sea lo suficientemente fuerte como para soportar la carga, pero las juntas no son tan fuertes. La fuerte reacción en las articulaciones puede causar fallas.

En lo que respecta a su ejemplo, la misma fuerza actúa sobre el hombre y la silla, pero la forma en que actúa la fuerza es diferente. La fuerza aplicada por la silla sobre el hombre se distribuye por todo el cuerpo que puede resistir la fuerza / área (estrés), mientras que la fuerza sobre la silla se concentra fuertemente en las articulaciones que conducen a la falla.

Answer 9

La silla se rompe porque la fuerza hacia abajo que actúa sobre ella excede las fuerzas que la mantienen intacta. Quizás sea más fácil visualizar el “punto de ruptura” haciendo una silla de cartón (papel) y otra de acero, ambas del mismo tamaño. ¿Por qué la obesidad afecta negativamente a la silla de papel, mientras que la silla de acero permanece intacta? Porque las fuerzas que mantienen unida la silla de acero son lo suficientemente fuertes como para contrarrestar la fuerza descendente. La silla de papel simplemente se pliega bajo la presión.

Answer 10

Tomemos otro ejemplo:

Un camión de 10 toneladas te golpea (~ 70 kg) a 44 mph.

Digamos que hay una fuerza de 50kN involucrada durante 0.1 segundos.

Estás acelerado a 70 m / s (aproximadamente 140 mph). El camión ahora viaja a 43.8 mph.

Las fuerzas involucradas en ambos objetos son las mismas. Pero ahora eres un desastre roto y sangriento, y el camión probablemente no tiene abolladuras.

Aunque las fuerzas son las mismas: cuando los objetos sobre los que actúan son radicalmente diferentes, el comportamiento no es necesariamente el mismo.

Answer 11

Porque tanto las fuerzas ‘acción’ como ‘reacción’ actúan sobre cuerpos diferentes. Como en su ejemplo, la fuerza de 5k nt que actúa sobre una silla no se cancela por la fuerza de 5k nt que actúa sobre el hombre. Ahora depende de las propiedades internas de la silla, como si la fuerza aplicada excede la fuerza de interacción entre las partículas de la silla, se rompe. (bueno, no exactamente toda la fuerza aplicada, también depende de en qué dirección aplique la fuerza)

Answer 12

Imagina que estás viendo toda la secuencia en cámara lenta. Cuando la persona solo toca la silla, la fuerza que aplica sobre la silla es muy pequeña y, con razón, también lo es la reacción. En el proceso de sentarse, imagine nuevamente una reproducción lenta, la persona sentada en la silla aumenta continuamente la fuerza de acción hasta que se alcanza un umbral. Este umbral es la capacidad de carga de la silla. Supongamos que es 3000N, en ese caso la fuerza de reacción de la silla nunca cruzará 3000N y en el proceso de sentarse, cuando la persona alcanza ese límite de fuerza en la silla, se descompondrá. En la situación que usted describe, recuerde que no puede aplicar una fuerza de 5000 N sobre la silla si su capacidad de carga es de 3000N.

Answer 13

La respuesta corta y rápida es: porque la silla es demasiado débil para “ejercer una fuerza de 5000N”. Esa fuerza excede el límite elástico (como ya se mencionó por otros), por lo que se rompe (no tiene región plástica).