Principios de Dinámica: Leyes de Newton y Tipos de Fuerzas
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Leyes de Newton y Fuerzas
La Dinámica es la rama de la física que estudia las causas del movimiento, es decir, las Fuerzas.
Las fuerzas son interacciones entre dos cuerpos. Son las causas de la interacción entre dos cuerpos (pueden ser atractivas o repulsivas).
Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza
- Fuerza Gravitacional: Relacionada con la masa de los cuerpos.
- Fuerza Eléctrica: Relacionada con la carga eléctrica de los cuerpos.
- Fuerza Nuclear Débil: Involucrada en ciertos tipos de desintegración nuclear.
- Fuerza Nuclear Fuerte: Mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo atómico.
Fuerzas Mecánicas Comunes
Peso
El Peso es la fuerza gravitacional que ejerce un cuerpo celeste (como la Tierra) sobre un objeto.
Se calcula como: Peso = m * g (donde m es la masa del objeto y g es la aceleración de gravedad).
En la Tierra, g es aproximadamente 9.8 m/s². En la Luna, es aproximadamente 1.6 m/s².
Unidades: La masa (m) se mide en kilogramos (kg), la aceleración de gravedad (g) en m/s². El Peso (m*g) se mide en Newtons (N).
El Peso se puede medir con un dinamómetro en Newtons (N).
La unidad Newton (N) equivale a kg * m/s².
Fuerza Normal
La Fuerza Normal es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo que se apoya o es soportado por ella.
No tiene una fórmula general única; su valor depende de la situación.
Siempre es PERPENDICULAR a la superficie de contacto.
Ejemplos de su valor en situaciones específicas:
- Sobre una superficie horizontal sin otras fuerzas verticales: N = m * g
- Sobre una superficie horizontal con una fuerza adicional hacia abajo: N = m * g + Fadicional
Tensión
La Tensión es la fuerza ejercida por cables, cadenas, cuerdas o elementos similares cuando están tensados.
Ejemplo: La tensión en una cuerda que sostiene un objeto colgando en reposo es igual al peso del objeto: T = m * g (en Newtons, N).
Fuerza Elástica
La Fuerza Elástica es ejercida por cuerpos con propiedades elásticas, como los resortes. Se describe mediante la Ley de Hooke.
Se define el coeficiente de rigidez (o constante elástica) de un resorte, denotado por k. Su unidad común es N/m (o N/cm).
El valor de k indica cuántos Newtons (N) de fuerza se necesitan para deformar el resorte una unidad de longitud (m o cm).
La fórmula de la Ley de Hooke es: Felástica = -k * x
Donde x es el desplazamiento desde la posición de equilibrio y el signo negativo indica que la fuerza se opone al desplazamiento.
Fuerza de Roce (Fricción)
La Fuerza de Roce (o Fricción) es una fuerza que se opone al movimiento (o a la tendencia al movimiento) entre dos superficies en contacto.
Fuerza de Roce Cinética
Actúa cuando hay movimiento relativo entre dos superficies en contacto.
Se calcula como: Fcinética = μc * N
Donde μc es el coeficiente de roce cinético y N es la fuerza normal.
Fuerza de Roce Estática
Actúa cuando hay una tendencia al movimiento, pero las superficies aún no se mueven una respecto a la otra.
La fuerza de roce estática puede tomar cualquier valor desde cero hasta un valor máximo, dado por μe * N, donde μe es el coeficiente de roce estático.
La relación es: Festática ≤ μe * N
Leyes de Newton del Movimiento
Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)
La Inercia es la resistencia de los cuerpos a cambiar su estado de movimiento (velocidad). Se relaciona directamente con la masa: cuanto mayor es la masa de un cuerpo, mayor es su inercia y más difícil es cambiar su velocidad.
F = 0), entonces el cuerpo mantiene su estado de movimiento"
Si el estado inicial es de reposo (velocidad = 0), y la fuerza neta es cero (∑F = 0), el cuerpo permanece en reposo.
Si el estado inicial es de movimiento con velocidad constante (velocidad ≠ 0 y constante), y la fuerza neta es cero (∑F = 0), el cuerpo continúa moviéndose con esa misma velocidad constante (magnitud y dirección).
Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)
Aceleración (a): Cambio de velocidad por unidad de tiempo. Unidad: m/s².
Masa (m): Cantidad de materia de un cuerpo. Unidad: kg.
Fuerza (F): Interacción entre cuerpos que puede causar un cambio en su estado de movimiento. Unidad: Newtons (N).
Si la suma de las fuerzas netas sobre un cuerpo es distinta de cero (∑F ≠ 0), entonces la velocidad del cuerpo cambia; es decir, el cuerpo acelera.
La fuerza neta y la aceleración son directamente proporcionales.
La relación se expresa como: ∑F = m * a (o a = ∑F / m).
Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)
A cada acción (fuerza) corresponde siempre una reacción: una fuerza de igual magnitud y dirección, pero en sentido opuesto, actuando sobre el otro cuerpo.