Physics on foot. Forces in running and running on foot.

Date: 13/12/2023 Author: Antonio H.

Física a pie. Las fuerzas en la carrera a pie.

Al correr o andar aparecen muchas fuerzas en acción, la más importante, a efectos de producir el desplazamiento, es la fuerza de propulsión que ejerce el pie sobre el suelo.

Esta fuerza tiene una dirección inclinada, dependiendo del ángulo de la pisada y puede descomponerse en dos componentes en las direcciones de avance, “x” y perpendicular al suelo, “y”.

La componente “x” es la que permitirá avanzar al corredor o caminante provocando una aceleración en la dirección del avance. Esta componente será horizontal cuando nos movemos en terreno llano.

La componente “y” es la que permitirá al corredor superar la gravedad y moverse hacia arriba provocando una fuerza en dirección perpendicular al suelo.

Esencialmente la carrera consiste movimientos parabólicos consecutivos en los que el corredor empuja desde el suelo hasta alcanzar una determinada altura máxima y vuelve a aterrizar a cierta distancia por delante. En consecuencia, su movimiento puede dividirse en dos desplazamientos, uno de salto y otro de avance, y el resultado final será la consecuencia de vencer las diferentes fuerzas que se opondrán a estos desplazamientos.

Parábolas consecutivas

La fuerza de propulsión se obtiene aplicando fuerza con el pie sobre el terreno, con el que debe existir una fuerza de fricción suficiente. La fuerza de reacción del suelo (tercera ley de Newton), es la que proporcionará la propulsión necesaria. Dicho de otro modo, al correr ejercemos una fuerza opuesta a la dirección del movimiento y según la tercera ley de Newton, el suelo ejerce sobre nosotros una fuerza igual y opuesta a nuestra fuerza sobre el suelo, lo que permite el movimiento hacia adelante.

Si no existiera la fuerza de fricción sería imposible desplazarse, sólo imagina lo que ocurre al intentar correr sobre una superficie sin fricción (por ejemplo, hielo). Si no hubiera fricción estática, el pie empujaría hacia atrás sobre la superficie y simplemente se deslizaría hacia atrás.

Vamos a ver con más detalle algunos casos particulares.

CORRER EN LLANO

En este caso, las principales fuerzas que se oponen al desplazamiento son la fuerza gravitatoria, provocada por nuestro propio peso, y la fuerza de resistencia aerodinámica provocada por el aire.

Para el movimiento de avance en llano el corredor debe aplicar una fuerza sobre el terreno que sea mayor que la suma de la fuerza de la gravedad y la fuerza de arrastre aerodinámico.

Fuerzas en la carrera en llano

En un esquema simplificado quedaría como muestra la siguiente figura, donde se ha descompuesto la fuerza de propulsión “Fp” en una componente vertical “Fpy” que debe vencer la fuerza de la gravedad y otra horizontal “Fpx” que debe vencer la resistencia aerodinámica y proporcionar la aceleración.

Diagrama de fuerzas en llano

CORRER CUESTA ARRIBA

En este escenario aparece una componente “x” de la fuerza gravitatoria en la dirección del desplazamiento y en sentido opuesto a éste. Por otra parte vamos a observar una reducción en el valor de la fuerza de fricción.

Aunque la componente “y” (perpendicular al suelo) de la fuerza gravitatoria disminuye con la inclinación del terreno, no es suficiente para compensar el aumento de la componente “x” y la pérdida de fricción con el suelo.

Por lo tanto, la fuerza a aplicar debe ser mayor que la suma de la fuerza de la gravedad en “x”, la fuerza de la gravedad en “y” y la fuerza de arrastre aerodinámico.

Desde el punto de vista de la energía, la carrera en ascenso no solo implica una variación en la energía cinética, si no que también se produce un incremento neto de la energía potencial.

Fuerzas en la carrera en llano

En un esquema simplificado quedaría como muestra la siguiente figura, donde se ha descompuesto la fuerza de propulsión “Fp” en una componente perpendicular al suelo “Fpy” que debe vencer la fuerza de la gravedad y otra paralela al suelo “Fpx” que debe vencer la resistencia aerodinámica, la componente “x” de la fuerza gravitatoria y, además, proporcionar la aceleración.

Diagrama de fuerzas en llano

CORRER CUESTA ABAJO

En este caso la componente “x” de la fuerza de la gravedad será favorable al desplazamiento y las fuerzas a superar serán la de la componente “y” de la gravedad y la fuerza de arrastre aerodinámico.

Fuerzas en la carrera en llano

En un esquema simplificado quedaría como muestra la siguiente figura, donde se ha descompuesto la fuerza de propulsión “Fp” en una componente perpendicular al suelo “Fpy” y otra paralela al suelo “Fpx” que debe vencer la resistencia aerodinámica además de proporcionar la aceleración.

La componente “x” de la fuerza gravitatoria tiene la misma dirección y sentido que el desplazamiento, con lo que el esfuerzo para avanzar será menor en este caso.

Diagrama de fuerzas en llano
 

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