Fuerza y movimiento: conceptos básicos

Concepto

• La dinámica estudia el movimiento de los cuerpos considerando sus causas, resultado de la interacción con un agente externo.
• Es una rama de la Mecánica que abarca casi toda la Mecánica Clásica
• En la Mecánica Clásica, el estudio se restringe a cuerpos grandes comparados con el tamaño de un átomo (~10⁻¹⁰ m) y con velocidades pequeñas comparadas con las de la luz (~3x10⁸ m/s).
• Isaac Newton (1642-1727) es el principal creador de la Mecánica Clásica.
• La Mecánica Relativista estudia el movimiento de partículas subatómicas a altas velocidades, siendo más general que la Mecánica Clásica, incluyendo a esta como caso particular.
• A. Einstein (1879-1955) fue su creador.

Fuerza

• En la vida cotidiana, se considera como la sensación asociada a la dificultad para mover o levantar algo.
• En Física, una fuerza se identifica por el efecto que produce.
• Uno de los efectos es cambiar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, específicamente, la velocidad de un objeto, produciendo una aceleración.
• Si se aplica una fuerza sin movimiento, puede cambiar la forma del cuerpo, incluso si es rígido
• La deformación puede ser permanente o no.
• Los efectos de la fuerza neta son dos: cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, o producir una deformación, o ambas.
• Normalmente, un cuerpo puede experimentar varias fuerzas, acelerando si el efecto de la fuerza neta no es cero.
• La fuerza neta o resultante es la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.
• Si la fuerza neta es cero, la aceleración es cero y el movimiento es con velocidad igual a cero (cuerpo detenido) o constante.
• Cuando un cuerpo está en reposo o se mueve con velocidad constante, se dice que está en equilibrio.
• Se distinguen dos clases de fuerzas: de contacto (resultado del contacto físico entre el cuerpo y sus alrededores) y de acción a distancia (actúan a través del espacio sin contacto físico).
• La física contemporánea describe el mundo con cuatro interacciones o fuerzas fundamentales que actúan sobre las partículas de materia:

Tipos de Fuerzas

• Fuerzas electromagnéticas: atracción o repulsión entre partículas cargadas, explican la cohesión de los átomos y son más intensas que la gravitacional.
• Fuerzas nucleares intensas: entre partículas subatómicas, aseguran la cohesión interna del núcleo atómico (protones y neutrones), responsables de muchas reacciones y desintegraciones, superando en magnitud a la fuerza electromagnética (10² - 10³ veces).
• Fuerzas nucleares débiles: de corto alcance, rigen procesos radiactivos y establecen la estabilidad de algunos núcleos, siendo menores que la electromagnética (10¹²).
• Fuerza gravitacional: atracción entre cuerpos debido a sus masas, hace que los objetos caigan y las mareas suban, siendo la de menor magnitud comparada con las otras.

Leyes de Newton

• 1era. Ley de Newton o Ley de Inercia: Un cuerpo en reposo permanece en reposo y uno en movimiento continúa en movimiento con velocidad constante, a menos que una fuerza altere su estado.
• En otros términos: si la suma de fuerzas sobre un cuerpo es cero, su aceleración es cero.
• Esto indica que la partícula está en equilibrio de traslación.
• La primera Ley de Newton es una generalización de la experiencia y también se le conoce como Ley de Inercia.

Inercia

• Se define como la propiedad de un cuerpo de resistir un cambio en su estado de reposo o movimiento.
• Ejemplo: pasajeros en un coche acelerando sienten la fuerza del asiento, mientras que al frenar, tienden a seguir moviéndose hacia adelante.

Masa

• Es una medida cuantitativa de la inercia.
• Mide la resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento o reposo, denominada masa inercial, determinada por la razón fuerza neta/aceleración.
• Es una propiedad del cuerpo, independiente del medio y del método usado para medirla, con el mismo valor en cualquier lugar del universo; es escalar y se mide en kg.

Peso

• Todos los cuerpos cerca de la superficie terrestre caen acelerados por la gravedad.
• La fuerza de atracción gravitacional de la Tierra sobre un cuerpo con masa es el peso, simbolizado como P.
• Es un vector fuerza dirigido al centro de la Tierra, en la dirección de g, medido en N, y su valor es P = mg.
• El peso depende de g, varía con la ubicación geográfica y disminuye con la altura, por lo que no es una propiedad del cuerpo y no se debe confundir con la masa
• Una balanza compara fuerzas y se usa para comparar masas.

Segunda Ley de Newton: "Ecuación Fundamental del Movimiento"

• Un cuerpo de masa m bajo la fuerza externa F adquiere una aceleración directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa: a ∝ F/m.
• La constante de proporcionalidad en el Sistema Internacional es la unidad.
• Si actúan N fuerzas sobre el cuerpo, pueden reemplazarse por una fuerza equivalente o fuerza neta F = ΣFᵢ, donde i va de 1 a N.
• La segunda ley de Newton se expresa como F = ma.
• La aceleración tiene la misma dirección que la fuerza resultante.
• La primera Ley de Newton es un caso particular de la segunda ley cuando la fuerza neta es cero, resultando en aceleración cero.

Unidades

• En el Sistema Internacional (SI), la fuerza se expresa en Newtons (N).
• Un Newton se define como la fuerza que comunica a 1 kg de masa una aceleración de 1 m/s². 1 N = 1 kg m/s².
• En el sistema inglés, la fuerza se expresa en libras-fuerza (lb), que se define como la fuerza que comunica a 1 slug de masa una aceleración de 1 pie/s². 1 lb = 1 slug pie/s².

Tercera Ley de Newton: "Principio de acción y reacción"

• Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este último reacciona con una fuerza de igual magnitud, en la misma línea de acción, pero en sentido opuesto.
• No existe una fuerza aislada en la naturaleza; toda fuerza es una interacción mutua entre dos cuerpos.
• La Tercera Ley de Movimiento: "Si dos cuerpos interactúan, la fuerza que el cuerpo 1 ejerce sobre el cuerpo 2 es igual y opuesta a la fuerza que el cuerpo 2 ejerce sobre el cuerpo 1”.
• F₁₂ = -F₂₁
• Donde F₂₁ (F₁₂) es la fuerza del cuerpo de masa m₁ (m₂) sobre el cuerpo de masa m₂ (m₁).
• Si una fuerza en la interacción se llama acción, la otra es la reacción.
• Las fuerzas de acción y reacción actúan en pareja sobre cuerpos diferentes.
• No actuarían sobre el mismo cuerpo porque la resultante sería cero.
• Para que una pareja de fuerzas sean de acción-reacción: misma magnitud, dirección, sentido opuesto, actuar en cuerpos diferentes y en parejas.

Fuerza de rozamiento

• Cuando un cuerpo se desplaza sobre una superficie o en un medio viscoso, se detiene tras un tiempo debido a una resistencia al movimiento por la interacción con el medio.
• Esta resistencia se mide con una fuerza, llamada fuerza de rozamiento o fricción.
• Es paralela a la superficie en el punto de contacto y opuesta al movimiento.
• Se produce por la irregularidad de las superficies, con el contacto en pocos puntos. Microscópicamente, implica fuerzas electrostáticas entre átomos o moléculas.

Fuerza de roce estático

• opuesta a la fuerza aplicada.
• La constante de proporcionalidad con la normal se indica como με.
• La magnitud de la fuerza de rozamiento estático es: fe ≤ µe N
• Cuando el bloque está a punto de moverse, la fuerza de roce estático es máxima (fe máx) así como el coeficiente de roce (µe máx).
• fe máx ≤ µe máx N

Fuerza de rozamiento cinético

• opuesta al movimiento y aproximadamente independiente de la velocidad para velocidades pequeñas.
• La constante de proporcionalidad se llama coeficiente de rozamiento cinético, µc.
• Magnitud: fc ≤ µc N

Datos Adicionales

• Las expresiones de fc y fe son empíricas, no leyes físicas fundamentales.
• Los coeficientes de rozamiento estático (µe) y cinético (µc) son adimensionales y dependen de la naturaleza de las superficies en contacto.
• En general, para un par de superficies dadas µe máx > µc.

Este cuestionario explora el efecto de las fuerzas en el movimiento de los objetos, incluyendo la inercia y las fuerzas fundamentales. Evalúa la comprensión de conceptos como la fuerza neta, la aceleración y las leyes de Newton. Pon a prueba tus conocimientos sobre física clásica.