Mecánica Clásica y Conceptos Fundamentales de Física (PDF)

Contenido Teórico Ampliado: Mecánica Clásica y Conceptos Fundamentales de Física Pioneros en el estudio del movimiento Aristóteles Fue uno de los primeros filósofos en desarrollar una teoría coherente sobre el movimiento. Dividía los movimientos en naturales (como la caída de los cuerpos) y violen...

Contenido Teórico Ampliado: Mecánica Clásica y Conceptos Fundamentales de Física Pioneros en el estudio del movimiento Aristóteles Fue uno de los primeros filósofos en desarrollar una teoría coherente sobre el movimiento. Dividía los movimientos en naturales (como la caída de los cuerpos) y violentos (como empujar una carreta). Su teoría sostenía que los objetos necesitaban una fuerza constante para mantenerse en movimiento. Aunque hoy se sabe que es incorrecta, sus ideas predominaron durante casi 2.000 años. Galileo Galilei Revolucionó la física al basarse en la experimentación. Demostró que todos los cuerpos, independientemente de su masa, caen con la misma aceleración en ausencia de resistencia del aire. Utilizó planos inclinados para estudiar el movimiento uniformemente acelerado y formuló las bases de la inercia, anticipando la Primera Ley de Newton. También propuso el principio de relatividad del movimiento. Isaac Newton Completó el trabajo de Galileo y Descartes formulando las leyes que gobiernan el movimiento y la gravitación universal. Su obra 'Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica' unificó el conocimiento físico bajo una perspectiva matemática. Describió cómo las fuerzas afectan el movimiento de los cuerpos e introdujo el concepto de interacción entre objetos. Leyes del Movimiento de Newton Primera Ley o Ley de la Inercia Un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza neta externa actúe sobre él. Este principio derriba la noción aristotélica de que se necesita fuerza constante para mantener un objeto en movimiento. Ejemplo: un libro sobre una mesa permanecerá inmóvil si no se aplica una fuerza externa. Segunda Ley o Ley de la Dinámica Establece la relación cuantitativa entre la fuerza aplicada, la masa del cuerpo y la aceleración que experimenta. Matemáticamente, se expresa como F = m · a. Esta ley permite calcular la fuerza necesaria para mover un objeto con determinada aceleración. Tercera Ley o Ley de Acción y Reacción Toda fuerza que un objeto ejerce sobre otro genera una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta. Ejemplo: cuando caminamos, empujamos el suelo hacia atrás y este nos impulsa hacia adelante. Este principio explica cómo funcionan los cohetes, que se impulsan expulsando gases hacia atrás. Conceptos de la Mecánica Cinemática Rama de la mecánica que describe cómo se mueven los objetos sin considerar las causas. Incluye conceptos como trayectoria, desplazamiento, velocidad, rapidez y aceleración. Es fundamental para entender los patrones del movimiento. Dinámica Estudia las fuerzas y su efecto sobre el movimiento de los cuerpos. Relaciona directamente el movimiento con las interacciones físicas (empujes, fricción, gravedad, etc.). Estática Analiza sistemas en equilibrio, donde las fuerzas y momentos netos son nulos. Es esencial en ingeniería y arquitectura para diseñar estructuras que no se colapsen. Fuerza y sus tipos Fuerza Es una magnitud vectorial que puede provocar aceleración o deformación en un cuerpo. Se representa mediante una flecha que indica dirección, sentido e intensidad (módulo). Unidad: Newton (N). Fuerzas según su contacto Las fuerzas de contacto necesitan interacción directa: fuerza normal, fricción, tensión, empuje. Las fuerzas a distancia actúan sin contacto: gravedad, fuerza eléctrica, fuerza magnética. Fuerzas según su efecto Motoras: originan el movimiento (como una fuerza de empuje). Resistivas: se oponen al movimiento (como la fricción o el aire). Fuerzas según su duración Impulsivas: actúan en tiempos muy breves (ej. golpe de martillo). Permanentes o sostenidas: ejercidas continuamente (ej. gravedad). Fuerzas en situaciones comunes Normal Fuerza que ejerce una superficie perpendicularmente sobre el objeto que sostiene. Equilibra el peso en superficies horizontales. Si la superficie está inclinada, cambia su dirección. Rozamiento Fuerza que se opone al deslizamiento relativo entre dos superficies en contacto. Puede ser estática (antes de que empiece el movimiento) o cinética (durante el movimiento). Tensión Fuerza transmitida por una cuerda, cable o hilo ideal (sin masa ni elasticidad). Actúa siempre a lo largo del eje del hilo y en dirección opuesta a la fuerza aplicada. Peso Fuerza con que la gravedad terrestre atrae a un objeto hacia el centro del planeta. Depende de la masa del objeto y de la aceleración gravitacional local. Fórmula: P = m · g. Condiciones de equilibrio y movimiento Equilibrio Un cuerpo está en equilibrio si la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero. Esto incluye equilibrio traslacional (no se desplaza) y equilibrio rotacional (no gira). Movimiento con velocidad constante Implica que la aceleración es cero, por lo tanto, la fuerza neta que actúa sobre el objeto también debe ser cero. Cambio en la velocidad Cuando un cuerpo cambia su velocidad (ya sea en magnitud o dirección), es señal de que existe una fuerza neta actuando sobre él. Ejemplos prácticos Automóvil en frenado brusco Debido a la inercia, los pasajeros continúan moviéndose a la misma velocidad a la que viajaba el auto. Esto justifica el uso del cinturón de seguridad, que aplica una fuerza para detenerlos junto con el auto. Plato sobre una mesa El peso del plato actúa hacia abajo, y la mesa ejerce una fuerza normal hacia arriba con la misma magnitud. Este par de fuerzas mantiene el sistema en equilibrio. Conceptos Fundamentales Masa Cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una propiedad escalar, constante, e independiente del lugar. Relacionada con la inercia y medida en kilogramos (kg). Inercia Tendencia natural de los cuerpos a resistir cambios en su estado de movimiento. Cuanto mayor es la masa, mayor es la inercia del cuerpo. Comparación entre Tiempo Absoluto y Relativo Tiempo Absoluto (Newton) Se concebía como una dimensión universal, constante y uniforme. Independiente del observador, fluyendo igual en todos los lugares del universo. Tiempo Relativo (Einstein) El tiempo es parte de un continuo espacio-tiempo. Se dilata en presencia de velocidades cercanas a la luz o en campos gravitatorios intensos. Este concepto cambió radicalmente la física moderna.