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Como generalmente se hace en física, al momento de tratar de describir un sistema, se analiza de la forma más simple y general posible. Para abordar estos temas se acostumbra a ver los objetos como partículas para simplificar las cosas, donde se tendrá en cuenta solo los aspectos relevantes.
Sin embargo el que sea simplista no quiere decir que no sea realista, por ende las conclusiones obtenidas del análisis deben poder ser aplicadas a problemas reales.
La dinámica estudia el movimiento de los cuerpos considerando las causas que lo producen. Es una rama de la mecánica que abarca casi toda la mecánica clásica. En mecánica clásica se restringe el estudio a los cuerpos grandes comparados con el tamaño de un átomo (~) y para velocidades pequeñas comparadas con la de la luz (~).
Antes de Galileo Galilei (1564-1642) la mayoría de los filósofos pensaba que se necesitaba una influencia externa para mantener un cuerpo en movimiento. Creían que un cuerpo se encontraba en su estado natural cuando estaba en reposo, y para que el cuerpo se moviera en línea recta con velocidad constante, tenía que moverlo continuamente algún agente externo, o si no se detendría. Galileo se dedicó a experimentar para liberar al cuerpo de esa influencia externa. En la naturaleza no se puede lograr, debido a que, incluso, cuerpos muy lejanos influyen y cambian el estado de movimiento del objeto de estudio. El experimento de Galileo fue deslizar un cuerpo esférico sobre una superficie muy lisa, al ponerla en movimiento lo hará con mucha facilidad sin ninguna influencia externa (el contacto entre las dos superficies es tan mínima que se puede despreciar). En el caso de que no existiera ninguna influencia externa sobre un cuerpo después de ponerlo en movimiento, nunca mas se detendría.
A la influencia externa que hace que un cuerpo se detenga o se ponga movimiento se le llama fuerza.
¿Qué es la fuerza?
En la vida cotidiana se considera fuerza a una sensación común asociada con la dificultad para mover o levantar un cuerpo. En física se identifica una fuerza por el efecto que produce. Uno de los efectos que tiene un fuerza es cambiar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, es decir, cambia la velocidad de un objeto, por tanto, produce una aceleración. Si la fuerza no produce movimiento en el cuerpo entonces puede cambiar su forma, aun si el cuerpo es muy rígido. La deformación puede o no ser permanente. Entonces los efectos de la fuerza neta son dos: cambiar el estado de movimiento de un cuerpo o producir una deformación, o ambas cosas simultáneamente.
Normalmente sobre un cuerpo pueden actuar varias fuerzas, entonces el cuerpo acelerará cuando el efecto de la fuerza neta que actúa sobre él no es cero. Se llama fuerza neta o fuerza resultante a la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Cuando un cuerpo está en reposo o se mueve con velocidad constante, se dice que está en equilibrio. La fuerza se nota con el símbolo .
Se pueden distinguir dos grandes clases de fuerzas: fuerzas de contacto, representan el resultado del contacto físico entre el cuerpo y sus alrededores, por ejemplo: mover la silla o estirar un resorte; y las fuerzas de acción a distancia que actúan a través del espacio sin que haya contacto físico entre el cuerpo y sus alrededores, por ejemplo la fuerza entre la tierra y el sol.
Para describir el mundo, la física contemporánea recurre a cuatro interacciones o fuerzas fundamentales, que actúan sobre las partículas de materia (incluso sobre anti-partículas), vehiculadas por partículas llamadas vectores de interacción, que son: Fotón (interacción electromagnética), bosón (interacción débil), gluón (interacción fuerte) y gravitón (interacción gravitacional).
Para que el concepto de fuerza sea exacto se debe establecer un método para medirla, pero como llegar a esa medición?. La podemos medir mediante el efecto que produce.
Veamos un resorte, la deformación va relacionara directamente con la cantidad de fuerza. Si aplicamos una fuerza a un resorte y se estira una unidad, le asignamos a la fuerza una magnitud unitaria de valor . Ahora, si aplicamos otra fuerza, en la misma dirección u otra, produciendo un estiramiento de dos unidades, la magnitud de la fuerza será de . Si se aplican mas de una fuerza al resorte la sufrirá una deformación equivalente a la suma vectorial de las fuerzas involucradas, es decir, la fuerza es un vector.
El instrumento para medir fuerzas se llama dinamómetro, es un resorte que se estira sobre una escala.
PRIMERA LEY DE NEWTON.
Como ya dijimos, Galileo fue el primero que contrario la idea de que el estado natural de la materia era el reposo.Posteriormente, newton, que nació en el año que murió Galileo, perfeccionó los experimentos de Galileo realizando cuidadosas mediciones experimentales, lo que le permitió formular las ahora conocidas Leyes del Movimiento.
La primera Ley de Newton se puede enunciar de la siguiente manera:
Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo y uno en movimiento continuará en movimiento con velocidad constante, a menos que actúe una fuerza sobre el cuerpo que altere su estado de reposo o movimiento.
En otros términos se enuncia de la siguiente forma: si la suma de fuerzas que actúa sobre un cuerpo es cero, su aceleración es cero. Esto significa que la partícula se encuentra en equilibrio de traslación, y se cumple la condición:
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Cabe resaltar que esta ley no ha sido probada real y verdaderamente, ya que no es posible eliminar totalmente las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Es una generalización de la experiencia.
La primera ley de Newton se conoce también como ley de Inercia, porque define un sistema de referencia inercial. Un sistema de referencia inercial es aquel en el cual si sobre un cuerpo no actúan fuerzas, este se mueve con velocidad constante.
MASA
¿Qué efecto tendrá una misma fuerza sobre cuerpos diferentes? No es lo mismo golpear con el píe una pelota que un adoquín. La masa es la propiedad del cuerpo que determina el efecto de una fuerza aplicada sobre el. La inercia es la propiedad de la materia que hace que se resista a cualquier cambio de su estado de movimiento, ya sea en su dirección o rapidez.
La masa es el término que se usa para cuantificar la inercia. Como mide la resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento o de reposo, se le llama masa inercial, y está determinada por la razón entre la fuerza neta sobre el cuerpo y su aceleración.
Otro método para encontrar la masa consiste en comparar las fuerzas gravitacionales ejercidas sobre dos objetos, uno de ellos de masa desconocida y el otro de masa conocida. Cuando la masa se mide con este método se llama masa gravitacional. Con experimentos muy precisos indican que la masa inercial y gravitacional, son iguales.
SEGUNDA LEY DE NEWTON.
Cuando la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo no es cero, el cuerpo se mueve con una aceleración en la dirección de la fuerza. Experimentalmente se demuestra que para una masa fija, si aumenta el valor de la fuerza, su aceleración aumenta proporcionalmente; por ejemplo si aumenta a la aceleración aumenta a . Por otra parte, si se aplica una fuerza fija, pero se aumenta el valor de la masa, la aceleración del cuerpo disminuye proporcionalmente al aumento de masa, por ejemplo si aumenta a la aceleración disminuye a .
La segunda ley de newton se enuncia basándose en estos resultados experimentales, resumiendo esas observaciones en el siguiente enunciado:
La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza resultando que actúa sobre el cuerpo e inversamente proporcional a su masa.
En términos matemáticos, si es la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo de masa , la segunda ley se expresa como:
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Esta ecuación fundamental muy sencilla y completa, encierra razonamiento físicos muy profundos, producto de la experiencia, se conoce como la ecuación fundamental del movimiento. Permite describir el movimiento y la mayor parte de los fenómenos de la mecánica clásica.
La Segunda Ley de Newton es una expresión vectorial y equivale a tres ecuaciones escalares, una en cada dirección y .
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[FONT=arial]La Segunda ley de newton se puede usar para definir la unidad de medida de una fuerza. En el sistema internacional, la unidad de medida la fuerza se llama "Newton", que se simboliza por N, se define como la fuerza necesaria para mover una masa de un Kg produciéndole una aceleración de entonces
Se observa que la primera Ley de Newton es un caso particular de la segunda ley cuando la fuerza neta es cero, ya que en ese caso la aceleración debe ser cero, por lo tanto es una consecuencia de la segunda ley.
PESO
Todos los cuerpos que se dejan en libertad cerca de la superficie terrestre caen con la aceleración de la gravedad. Lo que los hace caer es la fuerza fundamental de atracción gravitacional con que la tierra atrae a cualquier cuerpo con masa.
Si dos partículas que tienen masas y están separadas por una distancia , medida desde sus centros.
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[FONT=arial]La fuerza de atracción gravitacional ejercida por la masa sobre la masa tiene una magnitud de:
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Donge . El cuerpo a su vez ejerce una fuerza de atracción sobre la tierra, pero como la masa del cuerpo es mucho menor que la masa de la tierra, el movimiento que el cuerpo le imprime a la tierra no se aprecia. A la fuerza de atracción gravitacional que la tierra ejerce sobre el cuerpo en sus cercanías se llama del cuerpo, generalmente se simboliza como . Es un vector fuerza dirigido hacia el centro de la tierra, en la dirección de .
Se mide en .
Cuando un cuerpo que es dejado en libertad en las cercanías de la superficie terrestre, cae con la aceleración de gravedad, en la fuerza de la que imprime al cuerpo una aceleración , entonces de la segunda Ley de Newton, el peso es:
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Como es la misma para dos cuerpos, la relación de los pesos es igual a la relación de las masas de los cuerpos, o sea:
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[FONT=arial]EL peso depende de , varía con la ubicación geográfica y disminuye con la altura, por lo tanto no es una propiedad del cuerpo y no se debe confundir con la masa. Una balanza que es un instrumento para comparar fuerzas, se usa en la práctica para comparar masas. Generalmente se dice que un de azúcar , aunque el kilogramo es una unidad de masa, no de fuerza.
TERCERA LEY DE NEWTON
Cada vez que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo, este reacciona ejerciendo una fuerza sobre el primero. Las fuerzas que actúan son de igual magnitud, y actúan en la misma línea de acción, pero son de sentido contrario.
Esto significa que no es posible que exista una fuerza aislada, es decir, no existe un cuerpo aislado en la naturaleza. La fuerza puede ser de contacto directo o por acción a distancia.
Esta propiedad de las fuerzas fue demostrada experimentalmente y expresada por Newton en su Tercera Ley de Movimiento, que se enuncia como sigue:
Si dos cuerpos interactúan, la fuerza que el ejerce sobre el es igual y opuesta a la fuerza que el ejerce sobre el .
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Donde es la fuerza que ejerce el cuerpo masa sobre el cuerpo de masa .
Si una de las fuerzas que intervienen en la interacción entre dos cuerpos se llama acción, la otra recibe el nombre de reacción. Por lo anterior la Tercera Ley de Newton se conoce también como la Ley de Acción y Reacción.
Las fuerzas de acción y reacción actúan siempre en pareja y sobre cuerpos diferentes. Si actuaran sobre el mismo cuerpo no existiría el movimiento acelerado, porque la resultante siempre sería cero. Entonces, para que una pareja de fuerzas se consideren como fuerzas de acción y reacción, deben cumplir los siguientes requisitos simultáneamente:
- Deben tener igual magnitud
- La misma dirección
- Sentido opuesto
- Actual en cuerpos diferentes
- Actuar en parejas
De las tres leyes de newton, sólo la segunda y la tercera son independientes, ya que la primera es una consecuencia de la segunda, cuando la velocidad es constante o la aceleración es cero.
Al aplicar las leyes de newton se deben identificar todas las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo y dibujar un diagrama de cuerpo libre. Un diagrama de cuerpo libre es un esquema donde se muestra el cuerpo aislado o un punto que lo representa, en el que se dibujan todas las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo. Cuando se considera un sistema mecánico con varios cuerpos, se debe hacer el diagrama de cuerpo libre y aplicas las leyes de newton para cada componente del sistema.
la fuerza que produce una superficie sobre un cuerpo que se encuentra apoyado en la superficie se llama fuerza normal N, las fuerzas que ejercen cuerdas y cables sobre un cuerpo se llama fuerza de tensión T.
A menos que se diga lo contrario, las cuerpos y poleas que formen parte de un sistema mecánico se considerarán de masa despreciable comparada con la masa de los cuerpos en estudio, y las cuerdas y cables se considerarán inextensible, esto significa que sirven sólo para cambiar la dirección de la tensión cuando pasan por una polea; se dice que son ideales.[/FONT]
Solo una corrección: hay una pequeña errata en la expresión de la segunda ley de Newton: la derivada es de la velocidad respecto del tiempo y no al revés.
Un saludo
Rodri
No obstante, la tercera ley no es también una consecuencia de la segunda? Recuerdo que un profesor lo demostró en clase considerando un sistema aislado de dos cuerpos que interactuan entre ellos un intervalo de tiempo determinado, y mediante la conservacion del momento lineal total llegaba a que las variaciones de los momentos lineales de las partículas eran iguales pero de diferente signo, de manera que las fuerzas que sore ellas actuaban tenian igual modulo y dirección pero diferente sentido.