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La fuerza de empuje y el Principio de Acción y Reacción

Seguro que has sentido una intensa emoción cuando pisas el acelerador de un coche o incrementas la velocidad del avión que estás pilotando. Es como si el impulso te pegara al asiento, lo que consigue disparar la adrenalina, haciendo que disfrutes mucho más de la experiencia.

Pero, ¿por qué ocurre esto? La respuesta la tenemos en la Física y la tercera ley de Newton; la protagonista del siguiente vídeo explicativo.

Tras haberte hablado de la fórmula de la sustentación, en qué consisten las fuerzas g, o qué es la Línea de Kármán; hoy abordamos brevemente algunos conceptos básicos sobre la fuerza de empuje en Física.

Qué es la fuerza de empuje, cómo funciona, su fórmula para calcularla y, además, te mostramos algunos ejemplos sencillos que te ayudarán a comprender mejor el comportamiento de las fuerzas que hacen posible el movimiento de cualquier cuerpo, incluido el tuyo. ¡Comenzamos!

Qué es la fuerza de empuje

La fuerza de empuje o impulso, thrust en inglés, está descrita de forma cuantitativa en la Tercera Ley de Newton, más conocida como el Principio de Acción y Reacción.

Este principio dice que, cuando un cuerpo o sistema expulsa materia en dirección y sentido fijos (acción), se originará una fuerza de igual magnitud y en la misma dirección, pero en sentido contrario (reacción).

Así, cuando hablamos de la definición de la fuerza de empuje nos estamos refiriendo a la que recibe un cuerpo tras emitir previamente la que se denomina fuerza aplicada.

Por ejemplo, una avioneta genera una fuerza de empuje cuando la hélice expulsa aire hacia atrás. Esta expulsión del aire está desarrollando una fuerza en sentido opuesto que se transforma en movimiento; es decir, se origina la fuerza de empuje que incrementa la velocidad del avión en igual proporción a la masa de aire expulsado.

La fuerza de empuje solo aparece cuando hay una fuerza de acción previa, y solo puede originarse cuando entran en contacto dos cuerpos distintos como, por ejemplo, el aire que expulsa la avioneta y la atmósfera.

Este concepto que estamos analizando hoy está basado en el Principio de Arquímedes y la fuerza de empuje.

Y es que el célebre físico de la antigua Grecia desarrolló su teoría tras observar el comportamiento de los cuerpos que se sumergen en agua; en concreto, llegó a esta conclusión tras sumergirse él mismo en una tina llena de agua, y ver lo que ocurría.

Así, llegó a la conclusión de que todo cuerpo sumergido en un líquido recibe una fuerza de abajo hacia arriba, con un peso idéntico al líquido desalojado. Esta fuerza es la fuerza de empuje.

Cómo calcular la fuerza de empuje

La fórmula que nos permite conocer a qué es igual la fuerza de empuje es la siguiente:

E = Pe · V = pf · g · V

Donde los valores que vemos en la ecuación son:

  • E: es el empuje y se mide en Newtons (N).
  • Pe: peso específico del fluido y se mide en Newtons por metro cúbico (N/m³).
  • pf: es la densidad del fluido.
  • V: volumen del fluido desplazado por el cuerpo que se ha sumergido total o parcialmente.
  • g: es la aceleración de la gravedad.

Como puedes comprobar, la fuerza de empuje depende de la densidad del fluido, el volumen del cuerpo sumergido y la gravedad.

La fuerza de empuje siempre actúa en vertical y hacia arriba, y está aplicada en el centro de gravedad del cuerpo sumergido que, en este caso, se denomina centro de carena.

La Tercera Ley de Newton

Principio de acción y reacción

Esta tercera ley de la dinámica, formulada por el famoso físico y matemático inglés, nos dice que cuando un cuerpo interactúa con otro ejerciendo una fuerza, el segundo realiza otra fuerza igual y opuesta sobre el primero. La primera es la fuerza de acción y la segunda es la de reacción.

Veamos esto con un ejemplo. Imagina que tienes dos bolas de billar sobre una mesa y lanzas una sobre la otra hasta que chocan; la bola que estaba parada se moverá hacia delante, y la que ha golpeado se quedará quieta.

Las dos bolas se han visto sometidas a fuerzas que han modificado su velocidad y, además, han aparecido durante el golpe. En el momento de producirse el golpe se ha originado una fuerza sobre la bola golpeada que ha hecho que se ponga en movimiento. Además, la primera bola, la que golpea a la otra, se ha detenido; esto significa que ha recibido una fuerza similar pero en sentido contrario.

La primera fuerza es la fuerza de acción (golpea y desplaza la bola), y la segunda es la fuerza de reacción (para la bola golpeadora).

Ejemplos para entender mejor la fuerza aplicada y de empuje

Veamos ahora algunos ejemplos de la vida cotidiana que te ayudarán a entender mejor el concepto de la fuerza de empuje, y el principio de acción y reacción de la Tercera Ley de Newton.

Un objeto encima de una mesa

Cuando pones un objeto encima de una mesa se generan una serie de fuerzas que van más allá del peso del objeto y la fuerza de reacción de la mesa. Veamos cuáles son:

  • Fuerza de acción del objeto: al estar apoyado sobre ella está ejerciendo la fuerza de acción.
  • Fuerza de reacción de la mesa: es la fuerza que devuelve la mesa sobre el objeto en la misma proporción de su peso y volumen, y en sentido contrario.
  • Fuerza de la Tierra sobre el objeto: debido a la gravedad, la Tierra está ejerciendo fuerza sobre el objeto.
  • Fuerza del objeto sobre la Tierra: es la fuerza de reacción que sale del objeto hacia la Tierra.

Como ves, el principio de Newton no solo es aplicable a las interacciones que se producen por contacto entre los cuerpos. También se aplican en las fuerzas a distancia, como la gravedad de la Tierra que hemos visto en el ejemplo.

La fuerza de empuje al nadar

Cuando nadamos estamos ejerciendo fuerza sobre el agua con nuestras manos y pies. La reacción lógica es que el agua nos impulse hacia adelante, justo en el sentido contrario al que estamos ejerciendo la fuerza.

Este ejemplo es muy similar a lo que ocurre cuando un avión está en movimiento; a grandes rasgos, el avión ejerce fuerza sobre el viento, y este le devuelve la fuerza de empuje incrementando su velocidad.

La Física rige todas nuestras acciones cotidianas

La Física y sus leyes más elementales nos dan respuesta a cualquier fenómeno cotidiano, como el concepto que hemos compartido hoy contigo.

A la hora de pilotar un avión, la fuerza de empuje y la tercera ley de Newton son la mejor explicación que podemos dar a esas sensaciones tan excitantes que todo piloto experimenta cuando se sienta a los mandos de un avión.

Y, si te ha gustado el post, echa un vistazo a nuestro blog sobre aviación, en el que encontrarás toda la actualidad sobre One Air, curiosidades de aviación y muchas otras noticias interesantes.