Conceptos Clave de Física: Movimiento Vertical, Fuerzas y Leyes de Newton

Movimientos Verticales (MV) y su Relación con el MRUA

Los Movimientos Verticales (MV) son un caso particular del Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA), donde la aceleración constante es la de la gravedad (g).

Ecuaciones del Movimiento Vertical (MV)

• Aceleración: g = (V - Vo) / ΔT
• Tiempo: ΔT = (V - Vo) / g
• Posición/Altura: h = Vo ΔT ± ½ g ΔT²
• Velocidad Final: V² - Vo² = 2gh

Comparación con Ecuaciones del MRUA

Las ecuaciones del MV son análogas a las del MRUA, sustituyendo la aceleración 'a' por la aceleración de gravedad 'g' y el desplazamiento horizontal 'Δx' por el desplazamiento vertical 'h'.

• Aceleración: a = (V - Vo) / ΔT
• Tiempo: ΔT = (V - Vo) / a
• Posición/Desplazamiento: Δx = Vo ΔT + ½ a ΔT²
• Velocidad Final: V² - Vo² = 2a Δx

Tipos de Fuerzas Fundamentales

Una Fuerza es una acción que ejerce un cuerpo sobre otro, capaz de provocar cambios en su estado de movimiento o causar deformación. Es una magnitud vectorial, definida por su módulo, dirección y sentido. Se representa mediante un vector.

Fuerza Peso (W)

Es la fuerza que ejerce la Tierra (o cualquier cuerpo celeste) sobre todo cuerpo que se encuentra dentro de su campo gravitacional. Actúa siempre hacia el centro de la Tierra.

W = m × g

Donde:

• W es el Peso (Fuerza Peso)
• m es la Masa del cuerpo
• g es la Aceleración de Gravedad (aproximadamente 9.8 m/s², a menudo se usa 10 m/s² para simplificar cálculos)

Fuerza Normal (N)

Es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo que está apoyado en ella. Es siempre perpendicular a la superficie de contacto. Esta fuerza es igual en magnitud al peso de un cuerpo cuando este se encuentra en reposo o en movimiento horizontal sobre una superficie plana.

En reposo o movimiento horizontal sobre superficie plana:

N = W

Fuerza Tensión (T)

Es la fuerza ejercida por cables, cadenas, cuerdas o elementos similares cuando tiran de un cuerpo o lo sostienen.

Fuerza de Roce (FR)

Es una fuerza que se opone al movimiento (o a la tendencia al movimiento) entre dos superficies en contacto. Depende de la naturaleza de las superficies (su rugosidad) y de la fuerza normal. Puede ser cinética (cuando hay movimiento relativo) o estática (cuando no hay movimiento).

FR = μ × N

Donde:

• FR es la Fuerza de Roce
• μ es el Coeficiente de Roce (cinético μk o estático μs)
• N es la Fuerza Normal

Fuerza Elástica (FE)

Es la fuerza restauradora que ejerce un cuerpo elástico (como un resorte) cuando experimenta una deformación y tiende a volver a su estado de origen. Se describe mediante la Ley de Hooke.

FE = -K × X

Donde:

• FE es la Fuerza Elástica
• K es la Constante Elástica del material (siempre positiva)
• X es la Deformación (desplazamiento desde la posición de equilibrio)

El signo negativo indica que la fuerza elástica siempre actúa en sentido contrario a la deformación.

Composición de Fuerzas (Suma Vectorial)

Para encontrar la Fuerza Total o Fuerza Neta (ΣF) que actúa sobre un cuerpo, se realiza la suma vectorial de todas las fuerzas individuales.

• Si las fuerzas tienen la misma dirección y sentido: La fuerza total es la suma de sus magnitudes.
• Si las fuerzas tienen la misma dirección y sentidos opuestos: La fuerza total es la diferencia de sus magnitudes (la mayor menos la menor), con la dirección de la fuerza de mayor magnitud.
• Si las fuerzas son perpendiculares entre sí: La fuerza total (resultante) se calcula utilizando el Teorema de Pitágoras.

Leyes del Movimiento de Isaac Newton

Las leyes de Newton describen la relación entre un cuerpo, las fuerzas que actúan sobre él y su movimiento.

Σ representa la Sumatoria de fuerzas.

Primera Ley de Newton (Ley de Inercia)

Un cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sobre él actúe una fuerza externa neta.

• Si la sumatoria de las fuerzas (ΣF) que actúan sobre un cuerpo es cero, el cuerpo está en reposo o en Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU).

ΣF = 0 (Implica Reposo o MRU)

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

La aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta aplicada e inversamente proporcional a su masa.

ΣF = m × a

Donde:

• ΣF es la Fuerza Neta (suma vectorial de todas las fuerzas)
• m es la Masa del cuerpo
• a es la Aceleración del cuerpo

De esta ley se deriva que la Aceleración es:

a = ΣF / m

También se puede expresar la fuerza en términos del cambio de velocidad:

ΣF = m × (V - Vo) / ΔT

Nota: Las unidades de fuerza en el Sistema Internacional (MKS) son los Newton (N). En el sistema CGS, las unidades son las Dinas (D).

Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción)

Siempre que un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo (acción), el segundo cuerpo ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección, pero en sentido opuesto, sobre el primero (reacción).

Estas fuerzas de acción y reacción actúan siempre sobre cuerpos distintos, por lo que no se anulan entre sí.