Mientras leía sobre la reacción normal para diferentes escenarios, enfrenté una confusión menor con respecto a su origen.
Supongamos que una masa se mantiene sobre una superficie. La masa ejerce una fuerza hacia abajo indirectamente debido a su peso, y la superficie ejercería una fuerza hacia atrás sobre la masa. Me pregunto de dónde viene esta fuerza.
Una explicación afirma que esta fuerza proviene de la repulsión electrostática entre las dos masas y el principio de exclusión, que obviamente suena bien.
Otra explicación utiliza el hecho de que la masa comprime un poco la superficie, que trata de restaurarse empujando la masa hacia arriba, es decir, contra la compresión. Esta es la fuente de la fuerza de reacción normal.
Mi duda es, ¿no es un poco de los dos efectos anteriores? He visto que todas las fuentes usan una de las dos explicaciones anteriores, pero nunca las dos juntas. ¿No deberían ambos ser responsables de la fuerza normal?
Imagina que la superficie es perfectamente rígida, no hay compresión. Seguiría ejerciendo una fuerza normal sobre la masa. Pero esta fuerza sería puramente electrostática, ya que no hay compresión en la fuerza de restauración involucrada.
Sin embargo, en el caso general, la masa aplica una fuerza sobre la superficie mayor que la fuerza normal debido a la repulsión electrostática pura. Por lo tanto, la superficie se comprime y la fuerza restauradora equilibra las fuerzas para que ambos cuerpos descansen.
Entonces, ¿estoy en lo cierto al afirmar lo siguiente?
En el caso de un piso perfectamente rígido, solo funciona el primero. Para un piso general, el primero no es lo suficientemente fuerte para resistir la compresión, por lo que la segunda fuerza restauradora interviene para equilibrar el sistema. Si ambas fuerzas no son suficientes, la superficie se rompe o se perfora o algo así.
Pero es correcto quedarse, que existen estos dos efectos distintos que dan lugar a la fuerza normal neta. ¿Que la fuerza es el resultado de la repulsión electrostática y la fuerza de restauración debido a la compresión?
¿O ambos efectos son lo mismo, lo que no parece tener sentido intuitivamente, ya que tienen orígenes diferentes, pero contribuyen a la fuerza normal neta? Usar solo una de las explicaciones anteriores es incompleto. Por ejemplo, usando la explicación de la fuerza restauradora, no menciona por qué un cuerpo perfectamente rígido ejercería una fuerza normal. Por otro lado, usar la expresión puramente electrostática no menciona por qué un objeto pesado doblaría una superficie. Claramente los necesitamos a ambos.
Las dos explicaciones de una fuerza repulsiva (electrostática y que surge de la repulsión de Pauli) y una fuerza restauradora (que surge de la compresión) son funcionalmente idénticas; las dos descripciones simplemente enfatizan diferentes aspectos. Llamarlos dos efectos diferentes y sumarlos no es útil.
Parece que no tiene claro cómo cambia la repulsión electrostática con el espacio y supone que la repulsión por sí sola es un componente independiente que puede levitar un objeto y evitar cualquier compresión. Esto es incorrecto. Un peso (en el contexto de esta pregunta) siempre conduce a la compresión del soporte.
Los argumentos en contrario basados en un material perfectamente rígido pueden descartarse*, ya que tal material no existe.
Su pregunta restante es por qué un objeto pesado doblaría una superficie y cómo se puede explicar esto a través de interacciones electrostáticas. La respuesta es que el sistema encuentra un mínimo de energía en el que se minimiza la suma del potencial gravitatorio del objeto y la energía de deformación almacenada en los enlaces moleculares. Dicho de otro modo, todas las fuerzas acaban equilibradas; si se usa un objeto más pesado, el espacio molecular es más pequeño y la fuerza repulsiva más grande (según lo cuantificado por modelos de pares potenciales ).
*¿Por qué es esto? ¿Por qué no podemos simplemente idealizar una parte del problema por simplicidad para obtener información? Podemos, pero luego debemos comprometernos con la idealización; no podemos mezclar y combinar. Si dice: "Idealicemos el soporte como perfectamente rígido", entonces no puede decir: "Ahora, los electrones dentro del soporte se repelen con fuerza". ..." porque ya has reemplazado el soporte con algo no físico, un bloque mágico, que no contiene electrones. Si estamos de acuerdo en que el soporte no se deforma, entonces no podemos hablar de sus átomos constitutivos, porque Los átomos enlazados se deforman. Solo podemos investigar la física de las partes del sistema que permanecen modeladas de manera realista. Otra opción es calcular los resultados para una enorme rigidez de soporte de , decir. Esto producirá una deflexión insignificante pero aún permitirá el cálculo de la energía de deformación. También subraya que la fuerza restauradora es la fuerza repulsiva; no se pueden desacoplar.
Los efectos no son distintos. Cuando la superficie no está distorsionada, no hay fuerza entre las moléculas (si nos olvidamos de la vibración térmica). La fuerza repulsiva surge cuando comprimes la superficie. Cuanto más lo comprima, mayor será la fuerza repulsiva entre las moléculas.
Todo se vuelve mucho más claro si recuerdas la curva de fuerza interatómica . Cuando dos átomos están en su separación de equilibrio, no hay fuerza entre ellos (¡de lo contrario estarían acelerando!). Cuando se empujan más cerca que su posición de equilibrio, se repelen entre sí. Una explicación interesante es que la nube de electrones entre los núcleos se aparta parcialmente, por lo que los núcleos no están completamente protegidos de la repulsión de los demás. Si los átomos se separan más (como cuando se estira ligeramente un alambre), la fuerza entre ellos es atractiva. [La curva de fuerza intermolecular es cualitativamente similar a la curva interatómica.]
evan
Bob D.
Nakshatra Gangopadhay
Bob D.