Fundamentos de la Dinámica Clásica y las Leyes de Newton

Dinámica y Leyes de Newton

Introducción a la Dinámica

La dinámica es la rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos tomando en cuenta la causa que los produce. Para comprenderla, primero debemos conocer las características del movimiento:

• Trayectoria
• Distancia
• Posición
• Velocidad
• Desplazamiento
• Rapidez
• Aceleración

El estudio del porqué de estos movimientos es, precisamente, el objeto de la dinámica.

Conceptos Fundamentales

Fuerza

Se define como fuerza a todo aquello que sea capaz de cambiar el estado de reposo o el movimiento de un cuerpo, o de deformarlo.

Las Tres Leyes de la Dinámica (Leyes de Newton)

Estas leyes fueron formuladas por Isaac Newton y son los pilares de la mecánica clásica.

Primera Ley: Ley de la Inercia

"Todo cuerpo que está en reposo permanece así, y todo cuerpo que está en movimiento rectilíneo uniforme continúa con ese movimiento si no actúan fuerzas no equilibradas sobre él".

La inercia de la materia es la dificultad que presenta un cuerpo para cambiar su estado de movimiento o reposo.

Segunda Ley: Ley Fundamental de la Dinámica o Ley de la Masa

Esta ley establece las siguientes consideraciones:

• La fuerza y la aceleración son directamente proporcionales.
• La masa y la aceleración son inversamente proporcionales.

Si la fuerza resultante es diferente de cero, el cuerpo adquiere un Movimiento Uniformemente Variado (MUV) mientras actúe la fuerza no equilibrada.

La fórmula que resume esta ley es:

F = m · a

La fuerza es una magnitud vectorial que tiene dirección y sentido iguales a la aceleración, y su módulo es igual al producto de la masa por la aceleración adquirida.

Tercera Ley: Ley de Acción y Reacción

"Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), este reacciona sobre el primero con una fuerza de igual módulo y dirección, pero de sentido opuesto (reacción)".

Matemáticamente se expresa como: F₁₂ = -F₂₁.

Masa y Peso

El peso (P) de un cuerpo es la fuerza con la que la Tierra lo atrae. Dado que la gravedad (g) es una aceleración, el peso es un vector vertical con dirección hacia abajo.

P = m · g

Tipos de Masa

• Masa inercial: Propiedad que tiene el cuerpo de ofrecer resistencia a ser acelerado.
• Masa gravitacional: Propiedad que tiene un cuerpo colocado cerca de un astro de ser atraído por este.

Diferencias entre Masa y Peso

1. La masa es una propiedad intrínseca que ofrece resistencia a ser acelerado o atraído. El peso es la fuerza de acción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre el cuerpo.
2. La masa se puede medir aplicando la segunda ley de Newton o con una balanza. El peso se mide con un dinamómetro.
3. La masa de un cuerpo es constante, mientras que su peso varía dependiendo de la gravedad del lugar donde se encuentre.

Unidades de Fuerza

Sistemas de Unidades

• MKS (Sistema Internacional): kg · m/s² = 1 Newton (N)
• CGS (Sistema Cegesimal): g · cm/s² = 1 Dina

Definiciones de Unidades

• Newton (N): Fuerza necesaria para que 1 kg de masa adquiera una aceleración de 1 m/s².
• Dina: Fuerza necesaria para que 1 g de masa adquiera una aceleración de 1 cm/s².
• Kilopondio (kp): Fuerza con que la Tierra atrae 1 kg de masa, colocado a 45° de latitud y a nivel del mar. Equivale a 9,8 N.
• Pondio (p): Fuerza con la que la Tierra atrae 1 g de masa, colocado a 45° de latitud y a nivel del mar. Equivale a 980 dinas.

Otras Leyes y Conceptos Relevantes

Dinamómetro y Ley de Hooke

El dinamómetro es un instrumento basado en un resorte que se utiliza para medir fuerzas. Se construye basado en la Ley de Hooke: "las fuerzas aplicadas son siempre proporcionales a las deformaciones que producen, mientras no se alcance el límite de elasticidad del material".

Ley de Gravitación Universal

"La fuerza de atracción entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa".

F = (G · m₁ · m₂) / d²

Donde G es la constante de Cavendish (constante de gravitación universal) y equivale a 6,67 x 10^-11 N·m²/kg².

Tipos de Fuerzas

Fuerzas Fundamentales en la Naturaleza

• Gravitacionales: Involucra a todos los cuerpos con masa. En la Tierra, explican la caída libre.
• Electromagnéticas: Atracciones y repulsiones que provienen de la estructura atómica de los cuerpos.
• Nucleares fuertes: Tienen existencia en los núcleos de los átomos para mantener la unión de los protones y neutrones.
• Nucleares débiles: Se manifiestan en las interacciones de las partículas elementales.

Fuerzas Comunes que Actúan sobre un Cuerpo

• Peso (P): Fuerza que la Tierra ejerce sobre el cuerpo, dirigida verticalmente hacia abajo.
• Fuerza Normal (N): Fuerza que una superficie ejerce sobre un cuerpo apoyado en ella, perpendicular a la superficie y hacia afuera.
• Tensión (T): Fuerza que aparece en una cuerda inextensible y de masa despreciable cuando se pone tensa como efecto de las fuerzas aplicadas sobre ella.
• Fuerza de fricción o roce (f_r): Se origina en la superficie de contacto de dos cuerpos, oponiéndose al movimiento de uno con respecto al otro.