DINÁMICA. LAS FUERZAS. LEYES DE NEWTON

ÍNDICE:

1. ¿QUÉ SON LAS FUERZAS?

2. EFECTOS ESTÁTICOS: LAS FUERZAS Y LAS DEFORMACIONES.

3. EFECTOS DINÁMICOS: LAS LEYES DE NEWTON.

4. FUERZAS COTIDIANAS.

5. FUERZAS Y TIPOS DE MOVIMIENTO.

La Dinámica es la parte de la Mecánica 
que estudia las causas del movimiento.

La Estática es el estudio de los cuerpos en equilibrio.

1. ¿Qué son las fuerzas?

► Definición: “Fuerza es toda causa capaz de provocar una deformación o un cambio en el estado de un cuerpo “

Por tanto, distinguimos entre:

• efectos estáticos
• y efectos dinámicos de una fuerza.

► Una fuerza es el resultado de una interacción entre cuerpos. Hay fuerzas que se ejercen entre cuerpos que están en contacto físico y otras a distancia.

Fuerzas (Interacciones) Fundamentales	Se debe…	Es la responsable de…
Gravitatoria	La masa de los cuerpos.	La caída libre de los cuerpos y el movimiento de los planetas.
Electromagnética	Interacción debida a la carga eléctrica de los cuerpos.	La atracción (cuerpos de distinta carga, + -) y la repulsión (++ y - -) entre cuerpos cargados.
Nuclear Débil	Intercambio entre bosones W y Z.	La radiactividad, desintegración o decaimiento radiactivo de núcleos atómicos.
Nuclear Fuerte	Los quarks, formadores de bariones (neutrones y protones), interaccionan entre sí intercambiando gluones (Teoría de la Cromodinámica Cuántica).	La cohesión del núcleo atómico (vs. Desintegración). Mantiene unidos nucleones (protones y neutrones) venciendo la repulsión electromagnética.

○ Comentarios a la tabla:

• Hacia abajo, aumenta la intensidad de las fuerzas y disminuye su alcance.
• Hoy en día se ha unificado la fuerza electromagnética con la nuclear débil, conociéndose como fuerza electrodébil.

► La fuerza es una magnitud vectorial. Para definirla, además de su módulo o intensidad, hay que indicar su dirección, sentido y punto de aplicación.

► Operaciones con fuerzas.

● A menudo ocurre que dos o más fuerzas actúan sobre un cuerpo (fuerzas concurrentes, cuyas direcciones se cortan en algún punto). Piensa, por ejemplo, en dos caballos que tiran de un carro. En este caso, cuando dos o más fuerzas actúan a la vez, sus efectos se suman. En otras ocasiones, los efectos se restan, por ejemplo, dos niños disputándose un paquete de chucherías.

● El conjunto de las fuerzas se puede sustituir entonces por una sola fuerza, llamada fuerza resultante, que es aquella que produce el mismo efecto que otras varias que actúan sobre el mismo cuerpo, se obtiene de operar con varias fuerzas.

● CASOS: ¿Cómo se calcula gráficamente? Realizando operaciones con vectores.

○ Fuerzas que actúan en la misma dirección:

 ○ Fuerzas concurrentes con distinta dirección:

  

2. Efectos estáticos: Las fuerzas y las deformaciones

Clasificación de los cuerpos, según el material y su comportamiento ante una fuerza
Rígidos (Propiedad: Rigidez)	No se deforman por la acción de una fuerza.	Ej.: Una lámina de plomo
Elásticos (Elasticidad)	Se deforman por la acción de una fuerza, pero recuperan su forma original cuando desaparece la fuerza.	Ej.: Una goma
Plásticos (Plasticidad)	Se deforman y no recuperan su forma original cuando desaparece la fuerza, quedan deformados permanentemente.	Ej.: Plastilina.

► La ley de Hooke

 3. Efectos dinámicos: Las fuerzas y el movimiento.

► Principio de Inercia de Galileo:

● En la antigua Grecia, Aristóteles (384- 322 a.c.) concluyó que el estado natural de los cuerpos era el reposo y que todo cuerpo que se mueve es movido por otro cuerpo, si no, todo cuerpo en movimiento disminuye su velocidad hasta pararse.

● Galileo Galilei (1564-1642) lo negó. Realizó multitud de observaciones y estudió el movimiento de los cuerpos en planos inclinados y superficies horizontales, y se dio cuenta de que lo frenaba el movimiento eran las fuerzas de rozamiento (del aire y de las superficies). Por tanto, el “estado natural” de los cuerpos no era el reposo.

                                                                                                                                       v = v´

Enunciado del principio de inercia:

“Si un cuerpo que se mueve no sufre ninguna perturbación, continuará moviéndose eternamente con movimiento rectilíneo y uniforme“

► Principios de la dinámica

Isaac Newton (1643-1727) completó el trabajo de Galileo y publicó su obra “Principios Matemáticos de la Filosofía Natural”, donde expresó sus conclusiones en leyes o principios, conocidos como los PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA DINÁMICA:

● Primer principio o LEY DE INERCIA.

En una definición actual establece que:

“Todo cuerpo permanece en reposo o en MRU

 a menos que sobre él actúe una fuerza neta externa”

- Es una ampliación del principio de inercia de Galileo. El estado de reposo se identifica con el de MRU.

- Define cualitativamente “fuerza”, como el ente capaz de producir cambios en el estado de un cuerpo.

- Entenderemos por fuerza neta (o resultante) como la suma de todas las fuerzas aplicadas a un objeto. Para que se produzca un cambio en el estado de movimiento, la fuerza neta debe ser distinta a cero.

- Condición de equilibrio: un cuerpo está en equilibrio cuando no actúa ninguna fuerza sobre él o bien cuando actúan varias fuerzas concurrentes de forma que la resultante sea nula (sumatorio de fuerzas igual a cero).

Vídeo: 1ª LEY DE NEWTON O LEY DE INERCIA

● Segundo principio o principio fundamental de la Dinámica  (“La 2ª LEY DE NEWTON”)

Determina cómo se producen los cambios en el movimiento cuando un cuerpo está sometido a la acción de una fuerza neta (claro está, distinta de cero).

“Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza,

le provoca una aceleración en la misma dirección

y sentido de la fuerza aplicada de forma que:

F / a = m;   F = m . a”

Donde,

○ m es la masa (cantidad de materia) del cuerpo. Magnitud escalar que en el S.I se expresa en kg.

○ a es la aceleración. Magnitud vectorial que en el S.I es expresa en m.s^-2

Luego, 1 N es la fuerza que al actuar sobre un cuerpo de 1 kg le confiere una aceleración de 1 m/s²

- El primer principio es un caso particular del segundo. Si la/s fuerza/s que actúa/n sobre un cuerpo es/son nula/s, no existirá aceleración.

Vídeo: 2ª LEY DE NEWTON O LEY FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA

● Tercer principio o principio de acción y reacción

De igual valor, pero de sentidos opuestos FLT = -FTL

“Cuando un cuerpo ejerce una fuerza llamada acción,

el segundo le responde con una fuerza igual y de sentido contrario denominada reacción”

Las fuerzas aparecen por parejas (interacción).

• Describe una propiedad importante de las fuerzas: las fuerzas siempre actúan en pares: F_AB = -F_BA De igual magnitud y de sentido contrario.
• Nunca se anulan entre sí porque se aplican en objetos diferentes. Por tanto, las aceleraciones que sufren los objetos que interactúan son diferentes y van a depender de la masa de cada objeto.

Vídeo: 3ª LEY DE NEWTON O LEY DE ACCIÓN-REACCIÓN

NOTA: Nosotros llamaremos FUERZA DE ROZAMIENTO (FR) a lo que el video llama "roce"

4. Fuerzas cotidianas

► La fuerza peso (P) es la fuerza de atracción que ejerce la Tierra sobre los objetos. Cuando un cuerpo cae por acción de su propio peso, se mueve con la aceleración de la gravedad (g = 9,8 m/s², valor que dependerá de la latitud y la altitud)

○ Para calcular el peso de un objeto, la 2ª ley de Newton se reescribirá como:

                                                          P = m . g

Nota: SUSTITUIREMOS LOS DATOS CON LAS UNIDADES AL RESOLVER LOS PROBLEMAS 

○ El peso de un cuerpo es proporcional a su masa y no es una característica intrínseca de los cuerpos.

► La fuerza normal (N) es la fuerza de reacción de un plano sobre un cuerpo que está apoyado sobre él.

○ N es una fuerza perpendicular al plano y de sentido opuesto al de apoyo. Su valor depende de cada situación concreta.

►Las fuerzas de rozamiento o fricción (F_R) Son las fuerzas que se oponen al movimiento. Estudiaremos el rozamiento de un cuerpo contra la superficie en la que se apoya.

F_R = μ. N

○ Por tanto, su intensidad depende de la fuerza normal (N) y de las características de la superficie (μ). El coeficiente de rozamiento (μ) es un número adimensional cuyo valor depende del material de las dos superficies de contacto.

○ Distingamos entre fuerza de fricción estática (que es la que hay que vencer para comenzar un movimiento -se opone al inicio-) y fuerza de fricción cinética o dinámico que es la que se opone al movimiento -lo frena-). Por lo que existen dos coeficientes de rozamiento μ_estático y μ_dinámico Siempre:

μ_estático ≥ μ_dinámico

► La tensión de una cuerda (T)

- Las cuerdas son elementos de trasmisión de fuerzas y se utilizan para arrastrar objetos o elevarlos por poleas.

- En una cuerda de masa despreciable, la tensión es constante a lo largo de la misma.

5. Fuerzas y tipos de movimiento.

► M.R.U.

Es el movimiento que tiene un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta o porque las fuerzas concurrentes se anulan entre sí.

► M.R.U.A.

La aceleración provocada tiene la dirección y sentido de la fuerza aplicada. La resultante provoca cambios en el módulo del vector velocidad, pero no es su dirección: se habla de aceleración tangencial.

● ESTRATEGIAS para la resolución de problemas de dinámica:

1. Identificar las fuerzas que actúan sobre el objeto de estudio. Para ello es imprescindible trazar un DIAGRAMA DE FUERZAS, en el que aislemos cada uno de los objetos del sistema.
2. Elegir un Sistema de Referencia (ejes X e Y)
3. Escribir la segunda ley de Newton (en forma de componentes)
4. Resolver sistema de ecuaciones para determinar cuantitativamente el valor de la aceleración.

► M.C.U.: La fuerza centrípeta.

La aceleración normal (a_N) o centrípeta (a_c) es la que mide la variación de la dirección de la velocidad con el tiempo. Aplicando la segunda ley de Newton, si un cuerpo tiene aceleración centrípeta, tiene FUERZA CENTRÍPETA (F_c).

F_c = m. a_c = m . v² / R = mω²r

REFUERZA Y AMPLIA LO APRENDIDO:

VÍDEO: Experiencia ley de Hooke (Vídeo de ampliación, para que aprecies como se investiga en el laboratorio y el montaje experimental que valdría para estudiar la ley de Hooke)

WEBS DE INTERÉS:

- Para las Leyes de la Dinámica: Aquí

- Ley de Gravitación Universal en este BLOG