Fundamentos de Mecánica Clásica: Fuerza, Movimiento y Energía

Conceptos Fundamentales de Mecánica

Fuerza (F)

Es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir en él una deformación. Se representa comúnmente con la fórmula F = m × a (Fuerza = masa × aceleración).

Masa (m)

Es la cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una medida de la inercia del cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo (kg).

Peso (P)

Es la fuerza con la que la gravedad atrae a una masa. Se calcula como P = m × g (Peso = masa × aceleración debida a la gravedad).

Gravedad (g)

La aceleración debida a la gravedad es la aceleración que experimenta un objeto cerca de la superficie de un astro (como la Tierra). En la superficie de la Tierra, su valor promedio es aproximadamente g = 9.81 m/s².

Inercia

Es la propiedad que tienen los cuerpos de resistirse a cambiar su estado de reposo relativo o movimiento relativo. La masa es una medida cuantitativa de la inercia de un cuerpo.

Fuerza de Fricción

Es una fuerza que se opone al movimiento (o al intento de movimiento) entre dos superficies en contacto. Actúa tangencialmente a las superficies y depende de la naturaleza de estas y de la fuerza normal entre ellas.

Fricción Estática (F_s)

Es la fuerza de resistencia que se opone al inicio del movimiento de un cuerpo que está en reposo sobre una superficie. Su valor máximo es proporcional a la fuerza normal.

Fricción Dinámica (o Cinética) (F_k)

Es la fuerza de resistencia que actúa cuando un cuerpo ya está en movimiento sobre una superficie. Generalmente, es menor que la fuerza de fricción estática máxima.

Leyes de Newton

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)

Establece que si la fuerza neta (resultante de todas las fuerzas) ejercida sobre un cuerpo es nula, el cuerpo permanecerá en reposo si estaba en reposo inicialmente, o se mantendrá en movimiento rectilíneo uniforme (velocidad constante) si estaba inicialmente en movimiento. Es decir, para que un cuerpo altere su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, es necesario que una fuerza neta no nula actúe sobre él.

Segunda Ley de Newton (Principio Fundamental de la Dinámica)

Establece que la aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta aplicada sobre él e inversamente proporcional a su masa. La dirección de la aceleración es la misma que la de la fuerza neta. Matemáticamente se expresa como: F_neta = m × a. Por lo tanto, la intensidad de la resultante de las fuerzas ejercidas en un cuerpo es directamente proporcional al producto de la aceleración que adquiere por la masa del cuerpo.

Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)

Establece que a toda fuerza de acción le corresponde una fuerza de reacción de igual magnitud y dirección, pero en sentido opuesto. Estas fuerzas de acción y reacción, que actúan en pares, siempre actúan sobre cuerpos diferentes y, por lo tanto, no se anulan mutuamente.

Trabajo, Potencia y Energía

Trabajo Mecánico (W)

Se define como la cantidad de energía transferida por una fuerza al desplazar un objeto. Se calcula como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento por la magnitud de este desplazamiento. Si la fuerza es constante y actúa en la misma dirección que el desplazamiento: W = F × d. Su unidad en el Sistema Internacional es el Joule (J).

Potencia (P)

Es la rapidez con la que se realiza trabajo o se transfiere energía por unidad de tiempo. Se calcula como: P = W / t (Potencia = Trabajo / tiempo). Su unidad en el Sistema Internacional es el Watt (W).

Energía Cinética (E_c o K)

Es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento. Depende de la masa del cuerpo (m) y de su velocidad (v) al cuadrado: E_c = ½ × m × v².

Energía Potencial (E_p o U)

Es la energía almacenada en un objeto o sistema debido a su posición o configuración dentro de un campo de fuerzas (como el gravitatorio o el elástico), o a la existencia de un campo de fuerzas en su interior. Un ejemplo común es la energía potencial gravitatoria (E_pg = m × g × h), donde 'h' es la altura respecto a un nivel de referencia.

Energía Mecánica (E_m)

La energía mecánica de un cuerpo o sistema físico es la suma de su energía cinética y su energía potencial: E_m = E_c + E_p. Representa la capacidad que tiene el sistema para realizar un trabajo mecánico.

Principio de Conservación de la Energía

El Principio de Conservación de la Energía, también conocido como la Ley de Conservación de la Energía o el Primer Principio de la Termodinámica, establece que la cantidad total de energía en un sistema físico aislado (es decir, sin intercambio de energía con su entorno) permanece constante con el tiempo. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra (por ejemplo, de potencial a cinética, o en calor debido a la fricción) o se transfiere de un cuerpo a otro.