Actualmente estoy estudiando Física IGCSE y tengo la siguiente pregunta: ¿Por qué el empuje hacia arriba y la fuerza de reacción normal no son lo mismo?
Entiendo que el empuje hacia arriba solo ocurre en fluidos, y las fuerzas de reacción normales solo ocurren en una superficie, pero ¿cuál es la diferencia teórica real?
Al principio encontré esta pregunta un poco ingenua. Pero ahora creo que vale la pena pensar un poco al respecto.
Definitivamente comparten algunas propiedades, al menos a nivel microscópico. Ambos tienen el mismo origen microscópico: la interacción electromagnética. El empuje hacia arriba requiere gravedad para crear un gradiente de presión en el fluido, lo que resulta en una fuerza neta hacia arriba. La fuerza normal que ejerce una superficie sobre un cuerpo que descansa sobre ella también tiene la gravedad como "disparador", aunque esto no siempre es necesario. Si alguien presiona el cuerpo contra la superficie, entonces el paquete correspondiente de la fuerza normal no tiene nada que ver con la gravedad.
Desde el punto de vista macroscópico son bastante diferentes. El empuje ascendente tiene siempre la dirección del gradiente de presión. La dirección de la fuerza normal puede ser cualquiera, definida por la normal a la superficie. El empuje hacia arriba en un cuerpo de volumen (completamente sumergido) depende solo de su volumen y de la densidad del agente (fluido). La fuerza normal que actúa sobre el mismo cuerpo cuando descansa sobre una superficie depende en cambio de su masa y no depende de las propiedades físicas del agente (superficies).
Creo que esto es suficiente para ver las diferencias y similitudes.
Hasta cierto punto, estoy de acuerdo con @diracology: la pregunta al principio parece ingenua, pero al reflexionar es perspicaz. Y hay similitudes a nivel microscópico, en el sentido de que ambas son fuerzas de contacto que se originan de la misma repulsión electromagnética entre los electrones externos de los átomos o moléculas que son forzados a unirse. Sin embargo, no estoy convencido de que
Desde el punto de vista macroscópico son bastante diferentes.
Ambos son fuerzas de contacto que surgen en la interfaz entre dos cuerpos. En el fluido, esta interfaz puede ser irregular y rodea completamente un objeto sumergido. Para un sólido, por lo general es una única superficie plana, pero puede ser una colección de superficies, que no necesitan ser planas o regulares, y que pueden rodear el objeto.
Ambas fuerzas son la resultante (suma) de todas las fuerzas de contacto microscópicas, sumadas sobre el área de contacto. En el caso de empuje hacia arriba hay una forma cómoda de hacerlo, gracias al Principio de Arquímedes, porque el fluido es homogéneo. Sin embargo, si hay varias superficies de contacto sólidas, no solemos combinar las fuerzas normales en una sola.
El empuje hacia arriba ocurre en una interfaz fluido-sólido, mientras que la reacción normal ocurre en una superficie sólido-sólido. Sin embargo, es posible generar el mismo fenómeno fluido de empuje hacia arriba sumergiendo un objeto sólido en arena o pequeñas gotas y agitándolos para simular la presión de los átomos. Con suficiente vibración para reducir la densidad del fluido artificial y permitir que las partículas de arena/perlas se muevan alrededor del objeto sólido, el objeto flotará o se hundirá. (Esto también sucede en arenas movedizas: lucha y te hundirás, pero quédate quieto y podrás descansar en la superficie).
También puede ocurrir lo contrario: un fluido puede comportarse como un sólido. Por ejemplo: almidón de maíz y agua (conocido en los EE. UU. como 'Oobleck'), y masilla tonta. En escalas de tiempo cortas se comportan como sólidos, conservan su forma y ejercen fuerzas normales. Pero con el tiempo suficiente, fluyen, toman la forma del recipiente y empujan hacia arriba los objetos sumergidos o flotantes.
Ese empuje hacia arriba requiere gravedad (para crear un gradiente de presión) no es estrictamente cierto. El gradiente de presión se puede crear de otra manera, por ejemplo, en una centrífuga. La gravedad entra en él solo definiendo qué dirección es "arriba". La fuerza normal tampoco requiere la gravedad: surge también de una colisión o de un empujón humano.
Ambas fuerzas (presión del fluido y reacción normal) son siempre normales a la interfaz. Pero eso es porque así es como los definimos. Las superficies sólidas pueden soportar fuerzas de contacto tangencial que clasificamos como fricción sólida. Los fluidos reales también pueden ejercer fuerzas tangenciales (arrastre viscoso) así como otras fuerzas normales (levantamiento, compresión).
Todas estas fuerzas se originan de la misma repulsión electrónica entre átomos o moléculas. Es por nuestra propia conveniencia que los dividimos a ellos o a sus componentes en categorías tales como empuje hacia arriba, fuerza normal, fricción, sustentación, arrastre, etc.
Conclusión: en la escala atómica, la fuerza es esencialmente la misma (al menos en origen). En la escala macroscópica también hay muchas más similitudes que diferencias.
Annabelle Sykes