Una visión más amplia de las fuerzas de contacto

"En primer lugar, lo que hace que la fuerza normal, que es solo una fuerza debido a las interacciones aleatorias de los átomos eléctricamente, sea igual en magnitud a la fuerza gravitacional".

(1) La fuerza de contacto normal (este es un mejor nombre que 'reacción normal') es igual al peso de un cuerpo en equilibrio sobre una superficie horizontal. No es igual al peso del cuerpo si, por ejemplo, el cuerpo acaba de aterrizar en la superficie desde una altura. ¡Ni si la superficie cede!

(2) Pero, ¿cómo 'sabe' la superficie cómo proporcionar la fuerza de contacto normal que iguala el peso cuando hay equilibrio, sea cual sea el peso del cuerpo? La superficie es deformada por el cuerpo. Es como colgar un peso en un resorte. Si se hace suavemente, el resorte se estira y la tensión aumenta (debido a las fuerzas interatómicas cuando los átomos se separan más allá de sus posiciones de equilibrio) hasta que la tensión es igual al peso. Lo mismo ocurre con la superficie: se deforma (quizás no de manera notable) hasta que la fuerza de contacto normal iguala el peso del cuerpo colocado sobre ella.

pero ¿cómo pueden planificarse todas las interacciones eléctricas entre los átomos para que resulten en una fuerza igual a la fuerza gravitatoria?

No quiero ofender, pero planeado implica motivación, que no es física. El principio operativo aquí es la minimización y conservación de la energía y el impulso, nada más que eso.

La segunda pregunta que me viene a la mente, que es bastante tonta, pero aún relacionada, es que si un cuerpo muy pesado se mantiene sobre una mesa y la mesa se rompe debido a su peso, ¿es esa la fuerza máxima normal que podría ejercer la mesa? era más bajo que el peso del cuerpo y por lo tanto se rompió.

Su pregunta no es obvia para mí, es un equilibrio de fuerzas, eso es todo. Una mesa puede inicialmente aceptar un peso, pero con el tiempo, las uniones internas de, por ejemplo, una mesa de madera, se debilitan debido a la humedad y la mesa falla. No surgen problemas de misterio o causalidad. Un evento sigue a otro.

Otra de mis preguntas, que creo que es conveniente ponerla aquí ya que está todo conectado, es que, si un cuerpo se mantiene en el piso de un ascensor y sobre el cuerpo actúa una ligera fuerza, tal que no es grande suficiente para mover el cuerpo (debido a la fricción), y el ascensor comienza a acelerar hacia abajo, con la fuerza aún actuando sobre el cuerpo, luego aumenta la reacción normal y la fuerza de contacto sigue siendo la misma (suponiendo esto, porque la superficie es la misma), entonces el rozamiento que actúa entre el cuerpo y el suelo del ascensor, también variará.

No lo sigo completamente, mis disculpas, pero una caída repentina hacia abajo del piso del ascensor, debido a la inercia, produce un breve período de fricción reducida ya que los cuerpos involucrados no estarán en contacto.

En primer lugar, lo que hace que la fuerza normal, que es solo una fuerza debido a las interacciones aleatorias de los átomos eléctricamente, sea igual en magnitud a la fuerza gravitacional.

Consideremos el caso de un objeto colocado sobre una mesa. En primer lugar, debe saber que la mesa en sí está en equilibrio. Cuando colocas una pelota sobre ella, en presencia de la gravedad, la pelota ejerce una fuerza sobre la mesa. Esto perturbaría el equilibrio de la mesa. Por lo tanto, la mesa se deforma ligeramente para adaptarse a la nueva fuerza y, por lo tanto, tomar una nueva configuración de equilibrio. Ahora puedes ver que la pequeña deformación que sufre la mesa se debe precisamente a una fuerza adicional de la pelota. Por lo tanto, puede hacerse una idea de por qué existe una correlación entre las magnitudes de la acción y las fuerzas de reacción.

La segunda pregunta que me viene a la mente, que es bastante tonta, pero aún relacionada, es que si un cuerpo muy pesado se mantiene sobre una mesa y la mesa se rompe debido a su peso, ¿es esa la fuerza máxima normal que podría ejercer la mesa? era más bajo que el peso del cuerpo y por lo tanto se rompió.

Esto parece correcto. Continuando con la explicación anterior, esto significaría que la nueva configuración que la mesa está tratando de tomar, no puede ser sostenida por el mecanismo interno que mantiene unida a la mesa. Estas fuerzas son de naturaleza electrostática.

Ahora, la fuerza de fricción se considera proporcional a la reacción normal. Esta es la fricción por deslizamiento. Para ser más precisos, la fuerza de fricción puede tener una magnitud entre$[0,\mu N]$, dónde$mu$es el coeficiente de fricción entre las superficies y$N$es la reacción normal. La magnitud de esta fuerza depende de cómo actúan otras fuerzas sobre el cuerpo y la fricción solo trata de equilibrarla, hasta cierto límite. Por lo tanto, hasta que apliques una fuerza igual a$\mu N$, no podrá mover el cuerpo.

Ahora, para su última pregunta, sería útil pensar en tratar de tirar de una mesa pesada. Ejerces una fuerza, digamos$F_0$, pero no pueden moverlo. Ahora, colocas 10 libros sobre la mesa e intentas moverlos con la misma fuerza.$F_0$. ¿La fuerza de fricción sería la misma o diferente en ambos casos? Claramente, la reacción normal de la mesa con libros es mayor que solo una mesa. Para responder esto, solo tienes que responder si la mesa está en equilibrio. ¿Lo es? Sí, porque no está acelerando, a pesar de que múltiples fuerzas actúan sobre él. Ahora la única fuerza horizontal que estás aplicando está equilibrada por la fricción. Como no has cambiado la magnitud de la fuerza horizontal, ¡puedes decir que la fuerza de fricción también es la misma!