Imagina que estàs assegut tranquil·lament en una cadira o de peu sobre el terra. Encara que no ho pensis, s'està produint una força perquè no caiguis ni travessis el terra o la cadira.
T'has preguntat mai per què, quan deixes un objecte sobre una taula, aquest no el travessa i cau a terra? Aquí és on entra en joc una força "especial" a la nostra vida diària: la força normal .
En física, aquesta és una de les forces més comunes i essencials, però sovint passa desapercebuda. No té un nom gaire cridaner, però sense ella, les nostres experiències quotidianes serien molt diferents.
Tot seguit t'explicaré què és exactament aquesta força, com actua i per què és tan important perquè les coses, inclosos nosaltres, romanguin al seu lloc.
Què és la força normal?
Definició
La força normal és la força de contacte que una superfície exerceix sobre un objecte quan aquest hi està recolzat. Aquesta força es genera com a reacció a altres forces que actuen sobre l'objecte, com el seu pes a causa de la gravetat, i és responsable que l'objecte no travessi la superfície ni s'hi enfonsi.
En resum, aquesta força és la resposta de la superfície que contraresta les forces aplicades sobre l'objecte, mantenint-ho en equilibri.
Explicació gràfica
Imagineu que esteu drets sobre el terra o asseguts en una cadira. En tots dos casos, esteu recolzats sobre una superfície, oi?
Doncs aquesta superfície està fent una cosa que a primera vista no notem: està empenyent contra nosaltres cap amunt per mantenir-nos en equilibri. Aquesta empenta cap amunt és el que anomenem força normal .
És una força que actua perpendicularment (en angle recte) a la superfície sobre la qual un objecte està recolzat. Aquesta força és com la resposta de la superfície al pes de lobjecte que té a sobre. I passa el mateix si deixem un llibre sobre una taula o si recolzem la mà sobre una paret.
Unitats
La força normal , com qualsevol altra força, es mesura a Newton (N).
Un Newton és la unitat de mesura estàndard de la força al Sistema Internacional d'Unitats (SI), i es defineix com la força necessària per accelerar una massa d'1 quilogram a una velocitat d'1 metre per segon quadrat.
Un exemple senzill
Us posaré un exemple que us sonarà: imagineu-vos que sou en un parc, us asseieu en un banc, i noteu com el banc us sosté sense que us caigueu a terra. Què està passant?
El banc està exercint una força cap amunt, que és la força normal , per contrarestar la força cap avall que fa la gravetat sobre vosaltres, és a dir, el vostre pes.
Aleshores, quan esteu asseguts, hi ha dues forces principals en joc:
- El vostre pes , que és la força que la gravetat exerceix cap avall.
- La força normal , que és la resposta del banc que empeny cap amunt.
Aquestes dues forces es compensen i per això no us caieu a terra ni travesseu el banc. Així que, bàsicament, la força normal és la responsable que no ens enfonsem en les coses!
Per què es diu “normal”?
La paraula "normal" en aquest cas no té res a veure amb el que fem servir en el dia a dia (com quan diem "això és normal" o "això és rar"). Aquí, "normal" significa perpendicular .
És un terme matemàtic que fem servir en física per referir-nos a una adreça específica, la qual forma un angle de 90 graus amb una superfície.
Així que quan diem “força normal”, estem parlant d'una força que sempre apunta en aquesta direcció, cap a fora i perpendicular a la superfície .
Com funciona exactament?
Ara que entenem el bàsic, aprofundirem una mica més en com funciona la força normal. Aquesta força no té un valor fix . No és que sempre empenta cap amunt amb la mateixa intensitat. El seu valor depèn de diversos factors, i un dels més importants és el pes de l'objecte .
Imagina't que deixes caure un llibre sobre una taula. La força que fa el llibre sobre la taula és el pes del llibre, que és la força de gravetat tirant cap avall. En resposta, la taula exerceix una força cap amunt, igual en magnitud al pes.
Si el llibre pesa 2 quilograms, la taula empenyerà amb una força cap amunt equivalent al pes del llibre. Però si hi afegeixes més llibres a sobre, la força que exerceix la taula (normal) haurà d'augmentar per continuar aguantant el pes extra.
Cal tenir en compte, que si a més del pes hi ha altres forces, aquestes també intervenen en la força normal. Per exemple, si empenyem el llibre amb la mà cap avall, la força normal serà la suma del pes més la forja que exercim nosaltres cap avall.
Càlcul de la força normal amb fórmules
Distingim dos casos especials: quan l'objecte és sobre una superfície horitzontal i quan està sobre un pla inclinat.
Càlcul en una superfície horitzontal
La fórmula bàsica per calcular la força normal, en situacions on l'objecte està sobre una superfície horitzontal sense inclinacions ni forces extres, és força senzilla:
F n =m⋅g
On:
- m és la massa de l'objecte en quilograms (kg).
- g és l'acceleració de la gravetat, que a la Terra és aproximadament 9.8 m/s 2 .
Per exemple, si tens un objecte que pesa 10 kg, el pes seria:
Pes=10 kg⋅9.8 m/s 2 =98N
I la força normal també seria de 98 Newtons (N), perquè la superfície ha de fer una força igual i oposada per sostenir l'objecte en equilibri.
Càlcul en un pla inclinat
Ara veurem com es calcula quan un objecte està en un pla inclinat . Això és una mica més complicat que en una superfície plana, perquè no tota la força del pes de l'objecte actua directament contra la superfície, ja que part d'aquesta força s'està "lliscant" cap avall al llarg del pendent.
Quan col·loques un objecte sobre una superfície inclinada (com una rampa o un turó), el seu pes continua actuant cap avall a causa de la gravetat, però es descompon en dos components:
- Un component paral·lel a la superfície inclinada: és la part del pes que "empeny" l'objecte cap avall al llarg del pendent, i per això els objectes poden lliscar en una rampa.
- Un component perpendicular a la superfície inclinada: és la part del pes que “pressiona” directament contra la rampa, i aquest és el que genera la força normal .
Vegem com es calcula en aquest cas.
Descomposició del pes en un pla inclinat
Per calcular la força normal en un pla inclinat, el primer que hem de fer és descompondre la força de la gravetat en aquestes dues parts que vaig esmentar abans: una paral·lela i una altra perpendicular.
Si l'angle d'inclinació de la rampa és θ (l'angle entre la superfície inclinada i el terra pla), podem fer servir trigonometria per calcular cadascuna d'aquestes components.
El pes total de l'objecte és:
Pes=m⋅g
On m és la massa de l'objecte ig és l'acceleració deguda a la gravetat (aproximadament 9.8 m/s 2 ).
- Component perpendicular (que és la que genera la força normal):
Aquesta és la part que ens interessa, perquè és la que es recolza a la rampa i que està relacionada amb la força normal. La fórmula per calcular aquest component és:
F⊥=m⋅g⋅cos(θ)
Aquí, cos(θ) és el cosinus de l'angle d'inclinació. - Component paral·lela (que fa que l'objecte tendeixi a lliscar):
No afecta directament la força normal, però és útil saber-ho per entendre el moviment de l'objecte sobre la rampa. Es calcula així:
F?=m⋅g⋅sin(θ)
Càlcul de la força normal
Un cop hem descompost el pes en aquestes dues parts, ja podem calcular la força normal (Fn) . La Fn en un pla inclinat serà igual a la component perpendicular de la força de gravetat, ja que és aquesta la que la superfície de la rampa ha de contrarestar.
Per tant, la força normal és:
F n =m⋅g⋅cos(θ)
Exemple pràctic
Imagina que tens un bloc de 5 kg col·locat sobre una rampa inclinada a 30 graus respecte del terra. Volem calcular la força normal que exerceix la rampa sobre el bloc.
Primer, calculem el pes del bloc:
Pes=5 kg⋅9.8 m/s2=49 N
Ara fem servir la fórmula, amb l'angle d'inclinació de 30 graus:
Fnormal=49 N⋅cos(30∘)
El cosinus de 30 graus és aproximadament 0.866, així que:
Fnormal=49 N⋅0.866=42.4 N
Per tant, la força normal que la rampa exerceix sobre el bloc és de 42.4 Newtons .
Per què és més petita que en una superfície plana?
Fixa't que la força normal en una rampa inclinada és menor que si el mateix bloc estigués en una superfície plana. Si el bloc estigués en una superfície horitzontal (on l'angle θ és 0 graus), el cosinus de 0 és 1, així que la força normal seria igual al pes complet, és a dir, 49 N.
En el cas de la rampa, com l'angle d'inclinació és de 30 graus, només una part del pes està sent “recolzada” sobre la rampa, i per això la força normal és menor, 42.4 N en lloc dels 49 N que tindríem en una superfície plana.
L'altra component de la força és la que provocaria una acceleració del cos cap avall a no ser que existís una força de fregament en sentit contrari que la compensés.
Això també explica per què és més fàcil que un objecte llisqui en un pendent inclinat: com que la força normal és menor, hi ha menys fricció, i la part del pes que actua cap avall pel pendent (la component paral·lela) ajuda a l'objecte a moure's.
Situacions especials
Fins ara hem parlat d'exemples molt senzills, però aquesta força també es pot comportar de maneres interessants en situacions més complexes.
A continuació et plantejo alguns exemples especials que t'ajudaran a entendre millor aquest concepte:
1. Arracades
Imagineu-vos que aneu caminant per un turó inclinat. Us heu adonat que és més fàcil relliscar-vos en un pendent? Això té a veure amb la força normal.
Quan un objecte està sobre una superfície inclinada, la força normal no és tan gran com quan la superfície és plana, perquè la inclinació fa que part de la força gravitatòria estigui actuant “empenyent” cap avall pel pendent.
En un turó, la força normal no ha de compensar tot el pes de l'objecte, només una part. I com és menor, hi ha menys resistència i és més fàcil que rellisqueu.
2. Empenyent contra una paret
Ara, imagineu-vos que esteu empenyent una caixa contra una paret.
En aquest cas, la força normal no està relacionada amb el pes de la caixa, sinó amb la pressió que esteu exercint. Com més forta empenyeu la caixa contra la paret, més gran serà la força que la paret exercirà cap a la caixa per evitar que la travessi.
Si deixeu d'empènyer, la força normal desapareix.
3. Força normal en un ascensor
Alguna vegada heu sentit que peseu més o menys en un ascensor en moviment?
Això també té a veure amb aquest tipus de força. Si l'ascensor puja de manera accelerada, la força normal s'incrementa (i sentim com si peséssim més), perquè el terra de l'ascensor ha d'empènyer amb més força cap amunt per compensar l'acceleració.
Si l'ascensor baixa accelerant, la força normal disminueix (i sentim que pesem menys) perquè l'acceleració redueix la necessitat d'empènyer cap amunt amb tanta força.
Relació amb la tercera llei de Newton: acció i reacció
La força normal està directament relacionada amb la tercera llei de Newton , també coneguda com la llei d' acció i reacció .
Aquesta llei diu que per cada acció, hi ha una reacció d'igual magnitud i en sentit oposat . És a dir, si un objecte exerceix una força sobre un altre, aquest altre objecte respon amb una força igual però en la direcció contrària.
En el cas de la força normal, imagina una patinadora lliscant sobre una pista de gel. El pes de la patinadora, que és la força dacció , empeny cap avall a causa de la gravetat.
Com a reacció, el gel exerceix una força cap amunt per contrarestar aquest pes i evitar que es trenqui i la patinadora el travessi. La magnitud d'aquesta força és igual al pes de la patinadora, però actua en direcció oposada, és a dir, cap amunt.
Conclusió
En resum, la força normal és una d'aquelles coses que és present tot el temps, però que normalment no ens adonem que existeix.
És la força que evita que travessem el terra o que els objectes s'enfonsin a les superfícies. Depèn del pes de l'objecte i sempre actua perpendicular a la superfície on està recolzat. A més, està involucrada en tota mena de situacions quotidianes, des d'estar asseguts fins a caminar per un pendent.