Leyes y principios fundamentales de la física clásica: Newton, Kepler y gravitación
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Resumen
El documento recoge las leyes básicas de la física clásica: la ley de Hooke, los tres principios de la dinámica de Newton, los teoremas de conservación del momento lineal y angular, las tres leyes de Kepler sobre el movimiento planetario y las leyes de la gravitación universal y de Coulomb. Termina con un resumen de la mecánica newtoniana basado en la relación entre fuerza, masa y aceleración.
Puntos clave
- La ley de Hooke establece que la deformación de un muelle es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
- El primer principio de la dinámica (ley de la inercia) indica que un cuerpo mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme si la fuerza neta sobre él es cero.
- El segundo principio relaciona la fuerza aplicada con la aceleración producida: a = F/m.
- El tercer principio (acción y reacción) afirma que las fuerzas entre dos cuerpos tienen igual módulo, igual dirección y sentido contrario.
- Si no actúa ninguna fuerza exterior, el momento lineal de un sistema se conserva.
- Las leyes de Kepler (1609 y 1619) describen órbitas elípticas, áreas barridas iguales en tiempos iguales y la proporcionalidad entre el cuadrado del período y el cubo de la distancia media al Sol.
- La ley de la gravitación universal establece que la fuerza entre dos masas es proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
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Leyes de la Mecánica
Ley de Hooke
La deformación experimentada por un muelle es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
Leyes de Newton
Primer Principio de la Dinámica (Ley de la Inercia)
Un cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo y uniforme, si no actúa ninguna fuerza neta sobre él (la resultante de las fuerzas que actúan es 0).
Segundo Principio de la Dinámica
Existe una relación constante entre las fuerzas aplicadas a un mismo cuerpo y las aceleraciones producidas.
Nueva Formulación del Segundo Principio de la Dinámica
La fuerza neta que actúa sobre un cuerpo durante un cierto tiempo produce una variación de su momento lineal.
Tercer Principio de la Dinámica (Ley de Acción y Reacción)
Si un cuerpo A ejerce sobre otro B una fuerza, este a su vez ejerce simultáneamente sobre A otra fuerza, con el mismo módulo, igual dirección y sentido contrario.
Teoremas de Conservación
Teorema de Conservación del Momento Lineal
Cuando no actúa ninguna fuerza exterior sobre un cuerpo o sistema físico, su momento lineal se mantiene constante.
Teorema de Conservación del Momento Angular
Si una partícula no recibe ningún momento neto externo respecto de un punto, su momento angular respecto de dicho punto permanecerá constante.
Leyes de Kepler sobre el Movimiento Planetario
Primera Ley de Kepler o Ley de las Órbitas (1609)
Los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, encontrándose este en uno de sus focos.
Segunda Ley de Kepler o Ley de las Áreas (1609)
El radio vector que une el Sol y un planeta (con origen en el Sol y extremo en el planeta) barre áreas iguales en tiempos iguales.
Tercera Ley de Kepler o Ley de los Períodos (1619)
El cuadrado del período de revolución, T, de un planeta es proporcional al cubo de la distancia media que lo separa del Sol.
Leyes Fundamentales de la Física
Ley de la Gravitación Universal
Dos cuerpos de masas m1 y m2, separados por una distancia, r, ejercen fuerzas de atracción mutuas, cuyo módulo es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
Ley de Coulomb
La fuerza de atracción o repulsión que se ejercen mutuamente dos cargas eléctricas puntuales, q y q', es directamente proporcional al valor de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, r, que las separa.
Resumen de la Mecánica Newtoniana
La mecánica newtoniana puede resumirse en dos pasos:
- La fuerza resultante que actúa sobre un objeto determina su aceleración: a = F/m
- Las magnitudes características del movimiento se hallan usando la aceleración en las ecuaciones de la cinemática.
Preguntas frecuentes
¿Qué establece la primera ley de Kepler?
Establece que los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, que se encuentra en uno de los focos de la elipse.
¿Qué dice el tercer principio de la dinámica?
Afirma que si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre B, B ejerce simultáneamente sobre A otra fuerza de igual módulo, igual dirección y sentido contrario.
¿Cuándo se conserva el momento lineal?
Se conserva cuando no actúa ninguna fuerza exterior sobre un cuerpo o sistema físico.
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