Conceptos Esenciales de Cinemática y Dinámica: Movimiento, Velocidad y Leyes de Newton

Fundamentos de la Cinemática y la Dinámica

La Cinemática es la rama de la física que se dedica al estudio del reposo y el movimiento de los cuerpos, incluyendo la trayectoria, la rapidez, la velocidad y el movimiento rectilíneo uniforme, sin considerar las causas que lo producen.

Conceptos Fundamentales del Movimiento

• Reposo: Un cuerpo está en reposo cuando mantiene una posición invariable en el espacio respecto a un punto de referencia, a través de un cierto tiempo.
• Movimiento: Un cuerpo está en movimiento cuando cambia de posición o lugar en el espacio respecto a un punto de referencia a través de un cierto tiempo.
• Trayectoria: Se denomina trayectoria al conjunto de distintas posiciones que un cuerpo va ocupando a través del tiempo.

Tipos de Trayectoria

Las trayectorias pueden ser: rectilínea, parabólica, circular, elíptica, irregular, entre otras.

Ejemplos: Un niño jugando en una calesita sigue una trayectoria circular; la Tierra alrededor del Sol sigue una trayectoria elíptica; y un balón lanzado al aro sigue una trayectoria parabólica.

Rapidez y Velocidad

Aunque a menudo se usan indistintamente, son conceptos distintos en física:

• Rapidez (Cantidad Escalar): Es el módulo del vector velocidad. Es una cantidad escalar, por lo que no tiene dirección ni sentido.
  • Rapidez Instantánea: Es el cambio de rapidez a cada momento.
  • Rapidez Promedio: Es la misma rapidez durante todo el tiempo.
• Velocidad (Cantidad Vectorial): Indica qué tan aprisa se mueve un objeto y en qué dirección y sentido va. Es numéricamente igual a la distancia recorrida por el móvil en la unidad de tiempo. Se simboliza como $V$.

Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

Se denomina Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) porque su trayectoria es una línea recta y uniforme porque su velocidad no varía. Recorre espacios iguales en tiempos iguales. La velocidad es directamente proporcional a la distancia recorrida e inversamente proporcional al tiempo empleado, manteniendo una relación constante.

Fórmula del MRU

$$V = \frac{E}{T}$$

Donde $V$ es Velocidad, $E$ es Espacio (Distancia) y $T$ es Tiempo.

Velocidad Instantánea

Es la velocidad que posee un cuerpo en un intervalo de tiempo muy corto, calculada en un intervalo de tiempo infinitesimal.

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV)

Se denomina rectilíneo porque su trayectoria es una línea recta y uniformemente variado porque su velocidad varía de forma constante. Podemos modificar el estado de movimiento de un objeto cambiando su rapidez, su dirección de movimiento, o ambas cosas.

Al cociente que existe entre la variación de velocidad y el tiempo en que se produce se denomina aceleración.

Caída Libre

Se denomina Caída Libre al movimiento que describe todo objeto que se deja caer desde una altura determinada. En este caso, la velocidad inicial es $0$, y se trata de un tipo de Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA).

Problemas de Encuentro

Son situaciones en las que intervienen dos o más cuerpos, requiriendo el cálculo simultáneo de los tiempos y distancias recorridas por cada uno.

Estos problemas se clasifican en dos tipos principales:

• Persecución: Cuando los cuerpos se mueven en la misma dirección y sentido.
• Choque: Cuando los cuerpos tienen velocidades con sentido contrario.

Dinámica: Las Causas del Movimiento

La Dinámica estudia los movimientos de los cuerpos teniendo en cuenta las fuerzas que los ocasionan y los efectos que producen dichos movimientos. Es decir, se centra en las causas y efectos del movimiento de los cuerpos.

La Dinámica se basa en tres principios o leyes fundamentales enunciadas por Isaac Newton:

1. Primera Ley de Newton: Principio de Inercia

   Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si sobre él no actúa ninguna fuerza externa neta.

2. Segunda Ley de Newton: Principio Fundamental de la Dinámica (Masa)

   Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza, este adquiere una aceleración que es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a su masa.

   $$\vec{a} = \frac{\vec{F}}{m} \implies \vec{F} = m \cdot \vec{a}$$

   Relacionado con esto, el peso ($P$) se calcula como: $P = m \cdot g$ (donde $g$ es la aceleración de la gravedad).

3. Tercera Ley de Newton: Principio de Acción y Reacción

   Si sobre un cuerpo actúa una fuerza llamada acción, este produce una fuerza de igual dirección, igual módulo y sentido contrario denominada reacción. Este principio explica, por ejemplo, por qué los cuerpos que están sobre una superficie no se caen (principio de equilibrio).