Fundamentos de la Mecánica Clásica: Fuerzas, Magnitudes y Movimiento

Fundamentos de la Dinámica y la Cinemática

Las Fuerzas y sus Efectos

Las interacciones entre cuerpos se llaman fuerzas. Una fuerza es toda causa capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de reposo o de movimiento.

Las fuerzas tienen dos tipos de efectos principales:

• Cambiar el estado de movimiento de un cuerpo.
• Deformar el cuerpo.

Clasificación de las Fuerzas

Según la necesidad de contacto físico, las fuerzas se clasifican en:

• Fuerzas por contacto: Requieren contacto físico entre los cuerpos.
• Fuerzas a distancia: Operan sin que sea necesario el contacto físico (ejemplos: fuerzas gravitatorias, magnéticas, eléctricas).

Unidades y Medición de la Fuerza

La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI) se llama newton y su símbolo es $N$.

La fórmula fundamental que relaciona la fuerza ($F$) con la masa ($m$) y la aceleración ($a$) es:

$$F = m \cdot a$$

El dinamómetro es un aparato que sirve para medir fuerzas.

Magnitudes Físicas: Escalares y Vectoriales

Una magnitud es una propiedad que hace posible la medición de un cuerpo. Existen dos tipos de magnitudes:

Magnitudes Escalares

Vienen determinadas únicamente por una cantidad (módulo) y su unidad. Ejemplos: longitud, masa, temperatura, etc.

Magnitudes Vectoriales

Se determinan mediante un vector. Para definirlas completamente, es necesario conocer cuatro elementos:

1. Módulo: La cantidad de fuerza aplicada (el valor numérico).
2. Dirección: La línea de acción sobre la que actúa la fuerza.
3. Sentido: El lugar hacia donde va a ser desplazado un cuerpo (indicado por la punta de la flecha del vector).
4. Punto de aplicación: El punto concreto donde se ejerce la fuerza.

Comportamiento de los Cuerpos ante las Fuerzas

Los cuerpos, frente a la acción de las fuerzas, pueden clasificarse en:

• Rígidos: No se deforman bajo la acción de una fuerza.
• Plásticos: Se deforman, pero no recuperan su estado original al cesar la fuerza.
• Elásticos: Se deforman, pero recuperan su estado original al cesar la fuerza. Si la fuerza es muy grande, puede sobrepasar el límite de elasticidad y quedar deformado permanentemente.

La Ley de Hooke

La Ley de Hooke dice que el alargamiento ($x$) de un muelle es directamente proporcional a la fuerza ($F$) que lo produce. Su expresión matemática es:

$$F = k \cdot x$$

Donde $k$ es la constante elástica del muelle.

Introducción a la Cinemática

Definición de Movimiento y Sistema de Referencia

El sistema de referencia es un objeto, lugar o punto que consideramos fijo.

Un movimiento es un cambio de posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto al sistema de referencia, el cual se considera fijo.

Variables Cinemáticas Fundamentales

Para describir el movimiento de un móvil, utilizamos las siguientes variables:

• Posición ($x$): Punto en el que se encuentra el móvil en un instante determinado.
• Trayectoria: Línea imaginaria que une las posiciones que recorre el móvil.
• Desplazamiento ($\Delta x$): Distancia en línea recta entre dos posiciones del móvil.
• Espacio recorrido ($s$): Distancia total recorrida por el móvil sobre la trayectoria.

Velocidad y Aceleración

Velocidad Media

La velocidad media ($v$) es el espacio recorrido ($s$) por el móvil dividido entre el tiempo ($t$) que ha empleado en hacerlo. Su unidad en el SI es el metro por segundo ($m/s$).

$$v = \frac{s}{t}$$

Aceleración

La aceleración ($a$) es el cambio que experimenta la velocidad ($\Delta v$) entre el tiempo ($t$) empleado en dicha variación. Se calcula como la diferencia entre la velocidad final ($v_f$) y la velocidad inicial ($v_i$) dividida por el tiempo.

$$a = \frac{v_f - v_i}{t}$$