DINÁMICA DEL PUNTO MATERIAL (PARTÍCULA)
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Si en el capítulo anterior nos hemos dedicado a estudiar el movimiento sin ocuparnos de las causas que lo producen, aquí no sólo nos ocuparemos de éstas sino que además estudiaremos la relación (2ª ley de Newton) que existe entre las causas (F) y los efectos (movimiento).
Podemos decir que el resultado de la interacción entre un objeto y su medio circundante es lo que denominamos fuerza. La fuerza que actúa sobre un cuerpo puede deformarlo, cambiar su estado de movimiento, o ambas cosas.
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En el dibujo se observan diversos cuerpos sobre los que se les aplica una fuerza. Las fuerzas de contacto no son más que una descripción macroscópica de fuerzas de acción a distancia (fuerzas electromagnéticas entre un gran número de átomos que se encuentran muy próximos). Aún siendo conveniente esta clasificación para las descripciones macroscópicas debemos decir que las interacciones conocidas en la naturaleza son: 1) la fuerza gravitatoria, 2) la fuerza electromagnética, 3) las fuerzas nucleares fuertes y 4) las fuerzas nucleares débiles. Nos ocuparemos en mecánica clásica de las dos primeras. |
Primera ley de Newton. Sistemas de referencias inerciales.
Esta ley afirma que si sobre un cuerpo la resultante de las fuerzas aplicadas es nula el cuerpo estará en reposo o en movimiento recto y uniforme (MRU), únicos estados en los que no varía su velocidad (su aceleración es nula). Esta ley, también llamada ley de inercia, (y las otras dos) sólo es válida si el observador está en un marco de referencia inercial, es decir, un sistema de referencia inercial (SRI) es aquél en el que un cuerpo no sometido a interacciones está en reposo o en MRU. Serán SRI todos aquellos que sean fijos o los que posean velocidad constante respecto de los fijos. La Tierra no es un marco inercial pero podemos considerar, para movimientos en torno a la Tierra, que los sistemas fijos a la Tierra son también inerciales.
Masa inercial. Segunda Ley de Newton.
La resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de reposo o movimiento se llama inercia. La masa es un término que se utiliza para cuantificar la inercia. Así entre dos cuerpos a los que se les aplica una misma fuerza se acelerará más aquél que posea menos masa (presenta una oposición menor a cambiar su estado de movimiento).
La fuerza resultante que se ejerce sobre una partícula es proporcional a la aceleración que se produce en ella, siendo la constante de proporcionalidad la masa inercial. Si definimos ahora la cantidad de movimiento o momento lineal como el producto de la masa de la partícula por su velocidad tendremos la segunda ley expresada de la siguiente manera:
Donde leemos que las únicas causas que hacen variar el momento lineal de una partícula es la fuerza resultante aplicada sobre la misma. Al igual que la anterior se cumple bajo SRI.La ecuación de dimensiones de la fuerza es MLT-2 y se mide en newton en el sistema internacional de unidades (SI)
Tercera Ley de Newton
Cuando dos partículas interaccionan la fuerza que hace la partícula 1 sobre 2 es igual en módulo y dirección pero de sentido contrario a la que hace 2 sobre 1.
Es decir, las fuerzas en la naturaleza se presentan por pares, fuerza de acción y fuerza de reacción. Es conveniente decir aquí que no todas las fuerzas de igual módulo y dirección pero de sentido contrario son fuerzas de acción y reacción de momento se ha de tener en cuenta que estas fuerzas actúan sobre cuerpos diferentes...
Aplicaciones sencillas de las leyes de Newton.
Presentamos aquí algunos ejemplos de aplicación de las leyes indicando una serie de puntos a seguir a la hora de analizar dinámicamente una partícula
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Cuando un cuerpo está en movimiento sobre una superficie áspera, o cuando un objeto se mueve a través de un medio viscoso, como el aire o el agua, existe una resistencia al movimiento debido a la interacción del objeto con el medio que le rodea. A una fuerza de resistencia de esta naturaleza se le conoce como fuerza de rozamiento o de fricción. Las fuerzas de rozamiento o de fricción son muy importantes en la vida cotidiana. Por ejemplo, las fuerzas de rozamiento permiten caminar o correr y son necesarias para que se realice el movimiento de los vehículos con ruedas.
Considere un bloque sobre una mesa horizontal. Sí se aplica una fuerza externa horizontal F al bloque, actuando hacia la derecha, permanecerá estacionario si F no es demasiado grande. La fuerza que evita el movimiento del bloque actúa hacia la izquierda y es la fuerza de rozamiento, fs. En tanto el bloque esté en equilibrio, fs = F. Como el bloque permanece estacionario, a esta fuerza de rozamiento se le da el nombre de fuerza de rozamiento estático, fs.
Si se sigue incrementando la magnitud de F, en cierto momento el bloque se deslizará. Cuando el bloque está a punto de deslizarse, fs, es un máxímo (fuerza de rozamiento estática máxima); al hacerse F mayor que fs, m, entonces se mueve y se acelera hacia la derecha. Al quedar el bloque en movimiento, la fuerza de rozamiento se hace menor que fs, a esta nueva fuerza se le denomina fuerza de rozamiento cínético, fk.
En el ejemplo siguiente localizaremos las fuerzas sobre los cuerpos 1 y 2 incluida la de rozamiento existente entre el cuerpo 1 y el plano horizontal...
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