DINÁMICA DE LOS MOVIMIENTOS.
Fuerza, en física, cualquier
acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un
objeto. La fuerza que actúa sobre un objeto de masa m es igual a la
variación del momento lineal (o cantidad de movimiento) de dicho objeto
respecto del tiempo. Si se considera la masa constante, para una fuerza también
constante aplicada a un objeto, su masa y la aceleración producida por la
fuerza son inversamente proporcionales. Por tanto, si una fuerza igual actúa
sobre dos objetos de diferente masa, el objeto con mayor masa resultará menos
acelerado.
Las fuerzas se miden por
los efectos que producen, es decir, a partir de las deformaciones o cambios de
movimiento que producen sobre los objetos. Un dinamómetro es un muelle o
resorte graduado para distintas fuerzas, cuyo módulo viene indicado en una
escala. En el Sistema Internacional de unidades, la fuerza se mide en newtons:
1 newton (N) es la fuerza que proporciona a un objeto de 1 kg de masa una
aceleración de 1 m/s2.
TIPOS
DE FUERZAS.
Las fuerzas de la naturaleza
se pueden dividir en dos grandes grupos:
Fuerzas de contacto y Fuerzas
de campo.
Las fuerzas de
contacto son
aquellas en las que hay un contacto físico entre dos objetos. Por ejemplo al
empujar un objeto, al patear una pelota, en fin.
Esta acción mutua no siempre
se ejerce entre dos objetos en contacto. En muchas ocasiones parece tener lugar
“a distancia”; éste es el caso de un objeto atraído por la Tierra, y viceversa,
con una fuerza que es el peso del objeto. Entonces se habla de campos de fuerzas,
y en el caso concreto del objeto atraído por la Tierra se habla del campo
gravitatorio terrestre; las cargas eléctricas se atraen o se repelen debido a
la presencia de un campo eléctrico.
Las fuerzas de
campo, este tipo de fuerza es el más limitado, como por ejemplo un iman si le acercas un clavo llegas hasta
un punto en que sientes una fuerza que atrae el clavo, se trata de la fuerza
magnética que se distribuye en el espacio alrededor de los polos del iman.
LA FUERZA COMO VECTOR.
La fuerza se considera como un
vector porque éste tiene magnitud y dirección.
La fuerza al igual que los
vectores también la podemos descomponer por sus ejes X y Y.
LEYES DE NEWTON
INERCIA.
Inercia, propiedad de la materia que hace que ésta se resista a
cualquier cambio en su movimiento, ya sea de dirección o de velocidad. Esta
propiedad se describe con precisión en la primera ley del movimiento del
científico británico Isaac Newton: un objeto en reposo tiende a permanecer en
reposo, y un objeto en movimiento tiende a continuar moviéndose en línea recta,
a no ser que actúe sobre ellos una fuerza externa. Por ejemplo, los pasajeros
de un automóvil que acelera sienten contra la espalda la fuerza del asiento,
que vence su inercia y aumenta su velocidad. Cuando éste frena, los pasajeros
tienden a seguir moviéndose y salen despedidos hacia delante. Si realiza un
giro, un paquete situado sobre el asiento se desplazará lateralmente, porque la
inercia del paquete hace que tienda a seguir moviéndose en línea recta.
Cualquier
cuerpo que gira alrededor de un eje presenta inercia a la rotación, es
decir, una resistencia a cambiar su velocidad de rotación y la dirección de su
eje de giro. La inercia de un objeto a la rotación está determinada por su momento
de inercia. Para cambiar la velocidad de giro de un objeto con elevado
momento de inercia se necesita una fuerza mayor que si el objeto tiene bajo
momento de inercia. El volante situado en el cigüeñal de los motores de
automóvil tiene una gran momento de inercia. El motor suministra potencia a
golpes; la elevada inercia del volante amortigua esos golpes y hace que la
potencia se transmita a las llantas con suavidad.
La
inercia de un objeto a la translación está determinada por su masa. La segunda
ley de Newton afirma que la fuerza que actúa sobre un objeto es igual a la masa
del objeto multiplicada por la aceleración que experimenta. Por tanto, si una
fuerza hace que un objeto sufra una determinada aceleración, habrá que aplicar
una fuerza mayor para conseguir que un objeto con mayor masa experimente esa
misma aceleración. Por ejemplo, para conseguir arrastrar por un mismo
pavimento, y con la misma velocidad, una caja de zapatos o un embalaje con
varias de estas cajas, habrá que aplicar una fuerza mayor al embalaje, puesto
que tiene más inercia.
Momento de inercia de algunos cuerpos
En la ilustración se
muestran los momentos de inercia, I, de algunos cuerpos respecto a un
eje determinado (el eje de rotación aparece como una línea discontinua). La
letra m designa la masa del objeto, R su radio y l su
longitud.
EQUILIBRIO
Es el estado de reposo en el
que se encuentra un cuerpo debido a la fuerza gravitacional que ejerce la
tierra al peso del mismo cuerpo.
Por ejemplo,
Si se introduce una moneda caliente en un vaso de agua fría, el sistema
formado por el agua y la moneda alcanzará el equilibrio térmico cuando ambos
estén a la misma temperatura. En ese punto, las propiedades macroscópicas del
sistema (es decir, la temperatura del agua y de la moneda) no cambian a lo
largo del tiempo. En mecánica, un sistema está en equilibrio cuando la fuerza
total o resultante que actúa sobre un cuerpo y el momento resultante son nulos. En este
caso, la propiedad macroscópica del cuerpo que no cambia con el tiempo es la
velocidad. En particular, si la velocidad inicial es nula, el cuerpo
permanecerá en reposo. El equilibrio mecánico puede ser de tres clases:
estable, indiferente o inestable. Si las fuerzas son tales que un cuerpo vuelve
a su posición original al ser desplazado, como ocurre con un tentetieso, el
cuerpo está en equilibrio estable. Si las fuerzas que actúan sobre el cuerpo
hacen que éste permanezca en su nueva posición al ser desplazado, como en una
esfera situada sobre una superficie plana, el cuerpo se encuentra en equilibrio
indiferente. Si las fuerzas hacen que el cuerpo continúe moviéndose hasta una
posición distinta cuando se desplaza, como ocurre con una varita en equilibrio
sobre su extremo, el cuerpo está en equilibrio inestable.
Ejemplo de equilibrio.
APLICACIONES DE LAS LEYES DE NEWTON
FUERZA
CENTRIPETA.
Cuando
se aplica una fuerza centrípeta, la tercera ley de Newton implica que en algún
lugar debe actuar una fuerza de reacción de igual magnitud y sentido opuesto.
En el caso de la pelota que gira con una cuerda, la reacción es una fuerza
dirigida hacia el exterior, o centrífuga, experimentada por la mano que
sujeta la cuerda. En el caso del carrusel, el cuerpo de la persona presiona
hacia fuera contra el asiento como reacción a la fuerza centrípeta
ejercida por el asiento.
La
idea de fuerza centrífuga puede generar confusión. Frecuentemente se piensa que
sobre un objeto que se mueve en una trayectoria curva actúa una fuerza que
tiende a desplazarlo hacia fuera, alejándolo del centro, y que esta fuerza
equilibra la fuerza centrípeta que tira de él hacia dentro. Pero, en realidad,
no hay ninguna fuerza centrífuga que actúe sobre el objeto, con lo que
la fuerza centrípeta no está equilibrada y el objeto no tiende a moverse
hacia fuera. Si se suprimiera de pronto la fuerza centrípeta (una vez
más, prescindiendo de la gravedad), el objeto no se aceleraría, sino que
seguiría moviéndose en una línea recta tangente, lo que demuestra que sobre el
objeto no actúa ninguna otra fuerza.
Sin
embargo, desde el punto de vista del objeto en movimiento, puede parecer que
existe dicha fuerza centrífuga. Las personas que giran en un carrusel sienten
una fuerza que tiende a alejarlas del centro. Al contrario que una fuerza real,
que se debe a la influencia de un objeto o un campo, esta fuerza centrífuga es
una fuerza ficticia. Las fuerzas ficticias sólo aparecen cuando se
examina un sistema desde un marco de referencia acelerado. Si se examina el
mismo sistema desde un marco de referencia no acelerado, todas las fuerzas
ficticias desaparecen. Las personas de un carrusel que gira sienten una fuerza
centrífuga solamente porque el carrusel es un marco de referencia acelerado. Si
el mismo sistema se analiza desde el suelo, que es un marco de referencia no
acelerado, no existe fuerza centrífuga alguna. El individuo estacionario sólo
observaría la fuerza centrípeta que hace que las personas que giran en el
carrusel sigan moviéndose en una trayectoria circular. En general, las fuerzas
reales aparecen independientemente de que el marco de referencia empleado sea
acelerado o no; las fuerzas ficticias sólo aparecen en un marco de referencia
acelerado.
ROZAMIENTO
Rozamiento, en mecánica, resistencia al deslizamiento, rodadura o
flujo de un cuerpo en relación a otro con el que está en contacto.
En
todos los sólidos, las moléculas presentan rozamiento interno. Esta forma de
rozamiento es la fuerza que hace que cualquier objeto oscilante, como una
cuerda de piano o un diapasón, deje de vibrar. El rozamiento interno en los
líquidos y gases se denomina viscosidad.
El
rozamiento externo puede ser de dos clases: de deslizamiento o de rodadura. En
el rozamiento de deslizamiento, la resistencia es causada por la interferencia
de irregularidades en las superficies de ambos cuerpos. En el rozamiento de
rodadura, la resistencia es provocada por la interferencia de pequeñas
deformaciones o hendiduras formadas al rodar una superficie sobre otra. En
ambas formas de rozamiento, la atracción molecular entre las dos superficies
produce cierta resistencia. En los dos casos, la fuerza de rozamiento es
directamente proporcional a la fuerza que comprime un objeto contra el otro. El
rozamiento entre dos superficies se mide por el coeficiente de fricción, que es
el cociente entre la fuerza necesaria para mover dos superficies en contacto
mutuo y la fuerza que presiona una superficie contra otra. Si un cuerpo de masa
25 kg está situado sobre una superficie plana y hace falta una fuerza
equivalente al peso de una masa de 5 kg para moverla sobre la superficie, el
coeficiente de rozamiento entre el cuerpo y la superficie es de 5 dividido
entre 25, es decir, 0,2. El coeficiente de rozamiento entre dos superficies
metálicas bien engrasadas varía aproximadamente entre 0,01 y 0,05, y entre un
rodamiento esférico y el aro en el que gira es de alrededor de 0,002. El
rozamiento entre dos objetos es máximo justo antes de empezar a moverse uno
respecto a otro, y es menor cuando están en movimiento. El valor máximo del
rozamiento se denomina rozamiento estático o rozamiento en reposo, y el valor
del rozamiento entre objetos que se mueven se llama rozamiento cinético o
rozamiento en movimiento. El deslizamiento de dos cuerpos en contacto es
discontinuo y puede considerarse que el rozamiento cinético está producido por
una serie de episodios de rozamiento estático.
El rozamiento se debe a las irregularidades
microscópicas de las superficies. Cuando dos superficies están en contacto, sus
irregularidades tienden a encajarse, lo que impide que ambas superficies se
deslicen suavemente una sobre otra. Un lubricante eficaz forma una capa entre
las superficies que impide que las irregularidades entren en contacto.
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