Conceptos Fundamentales de Energía, Dinámica y Leyes de Kepler: Una Revisión Completa

Conceptos Fundamentales de Energía, Dinámica y Leyes de Kepler

Energía

La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Es una magnitud escalar, no vectorial. La energía que se puede acumular en un cuerpo debido a factores mecánicos se denomina energía mecánica (Em).

• Energía cinética: Es la energía que posee un cuerpo por el hecho de tener velocidad.
• Energía potencial gravitatoria: Es la energía que posee un cuerpo por el hecho de estar en un determinado lugar cerca de otro cuerpo con masa.
• Energía potencial elástica: Es la energía que posee un cuerpo por estar asociado a un resorte o muelle.

Trabajo

El trabajo es la forma en la que un cuerpo puede intercambiar energía mecánica con el entorno (ganar o perder). Está relacionado con la fuerza aplicada sobre un cuerpo y su desplazamiento.

• Fuerzas conservativas: Son aquellas que no cambian la energía mecánica de un cuerpo. Incluyen las fuerzas elásticas y gravitatorias.
• Fuerzas no conservativas: Son aquellas que sí cambian la energía mecánica de un cuerpo. Abarcan todas las demás fuerzas.

Potencia

La potencia es la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado. Se puede expresar como P = F * V * cos(θ), donde P es la potencia, F es la fuerza, V es la velocidad y θ es el ángulo entre la fuerza y la velocidad.

Dinámica

La dinámica es la rama de la física que estudia las fuerzas y sus efectos sobre el movimiento de los cuerpos.

Fuerza

Las fuerzas no se crean, se ejercen. Son interacciones entre objetos que pueden producir deformaciones o aceleraciones en los mismos. La fuerza es una magnitud vectorial.

• Ley de Hooke: Describe el comportamiento de los resortes o muelles. La fuerza elástica (F) es directamente proporcional a la constante elástica (k) del resorte y al incremento de su longitud (ΔL): F = -k * ΔL. La constante elástica (k) engloba todas las características del resorte.
• Ley de Inercia (Primera Ley de Newton): Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza neta, este cuerpo se mantiene en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme (MRU).
• Ley Fundamental de la Dinámica (Segunda Ley de Newton): Relaciona las fuerzas aplicadas sobre un cuerpo con la aceleración que experimenta. La fuerza resultante (Fr) es igual a la masa (m) del cuerpo multiplicada por su aceleración (a): Fr = m * a.
• Fuerza de Rozamiento: Es la fuerza que aparece siempre en dirección opuesta al movimiento relativo entre dos superficies en contacto. Se calcula como Fr = μ * N, donde μ es el coeficiente de rozamiento y N es la fuerza normal.
• Fuerza Centrípeta: Es la fuerza que hace girar a un cuerpo en una trayectoria circular. No es una fuerza fundamental, sino que cualquier fuerza puede actuar como fuerza centrípeta.
• Descomposición de Fuerzas: Consiste en transformar una fuerza en dos fuerzas equivalentes a la original, generalmente en los ejes cartesianos.

Leyes de Kepler

Las Leyes de Kepler describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol.

• Primera Ley (Ley de las Órbitas): Todos los planetas giran alrededor del Sol en órbitas elípticas, con el Sol situado en uno de los focos de la elipse.
• Segunda Ley (Ley de las Áreas): El radio vector que une un planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales. Esto implica que cuando un planeta está más cerca del Sol, su velocidad es mayor.
• Tercera Ley (Ley de los Períodos): El cuadrado del período orbital de un planeta (T) es directamente proporcional al cubo del semieje mayor de su órbita (a): T² ∝ a³. Esta ley es válida para cualquier cuerpo que gire alrededor del Sol.

Inercia

La inercia es la propiedad que tienen los cuerpos de mantener su estado de reposo o de movimiento si no actúa una fuerza externa sobre ellos.