Introducción a la Dinámica (Material de apoyo 10º)

Dinámica

Es la parte de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que producen dicho movimiento.

Fuerza.

En física, la fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas (en lenguaje de la física de partículas se habla de interacción).

Según una definición clásica, fuerza es toda causa agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía.

¿Cómo se originan las fuerzas?:

Una interacción entre dos objetos produce dos fuerzas iguales y opuestas, aplicadas una en cada objeto.

Las interacciones pueden ser como la electromagnética o por contacto, como las originadas en un choque o cuando alguien empuja una caja o tira de una cuerda.

Las interacciones siempre se producen por parejas. Si pasas el puntero del ratón sobre los rectángulos de la figura, podrás ver qué interacciones están implicadas en las diferentes zonas.

Características de una fuerza:

Una fuerza se caracteriza por tener cuatro elementos:

• Punto de aplicación
• Dirección
• Sentido
• Intensidad
  
  
  
  

Tipos de fuerzas

Fuerzas fundamentales

La gravitatoria es la fuerza de atracción que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.

La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, puede tener dos sentidos (atractivo y repulsivo) y su alcance es infinito.

Una fuerza nuclear es aquella fuerza que tiene origen exclusívamente en el interior de los núcleos atómicos

La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.

La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción (aparte de la gravitatoria, electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

Fuerza a distancia: es la que se produce sin contacto entre los cuerpos que accionan uno sobre otro. Ejemplos:

a) La fuerza magnética que ejerce un imán, a distancia sobre un clavo colocado cerca;

b) La fuerza eléctrica que existe entre dos cuerpos cargados de electricidad contraria;

c) La fuerza de gravedad que ejerce la Tierra sobre cualquier objeto o cuerpo. Ejemplos: un pájaro, un globo, un avión, etc., que se levantan del suelo no escapan a la gravedad; la Tierra continúa ejerciendo sobre ellos, a distancia, una fuerza de atracción, tanto más débil cuanto más se eleva el objeto.

Fuerza por contacto: es la fuerza que un cuerpo aplica a otro en contacto con él. Ejemplos:

a) la fuerza muscular desarrollada por un hombre o un animal para poner un cuerpo en movimiento, impedirlo o modificarlo.

b) la fuerza elástica resultante de la deformación de un cuerpo elástico, po ejemplo, las gomas de una honda.

• la fuerza por empuje, ejercida por un gas comprimido, el aire o el agua en movimiento (sobre las velas de un bote, sobre los álabes de una turbina hidráulica, etc.).

d) la fuerza por frotamiento que se produce al oprimir un cuerpo sobre otro en movimiento, por ejemplo, al accionar el freno sobre las ruedas de un vehículo en marcha.

fuerzas colineales: son fuerzas que actúan sobre la misma línea recta (recta de acción), ya sea en el mismo sentido o en sentido contrario.

Fuerzas de sentidos contrarios:

F1 = 5 N F2 = 8 N

R = F2 - F1 = 8 N - 5 N = 3 N

R = 3 N

Fuerzas del mismo sentido:

F1 = 15 N F2 = 15 N

R = F1 + F2 = 15 N + 15 N

R = 30 N

Cuando dos personas empujan un mueble se dice que aplican un sistema de fuerzas; siempre es posible hallar una fuerza que, aplicada al cuerpo, produzca exactamente el mismo efecto que todo el sistema. Si las fuerzas de esas dos personas son remplazadas por otra persona que por sí sola emplee exactamente la misma fuerza que las dos anteriores, se obtiene una resultante del sistema.

FUERZA DE ROZAMIENTO

La fuerza de rozamiento surge entre dos cuerpos puestos en contacto cuando uno se mueve respecto al otro. Sobre cada uno de ellos aparece una fuerza de rozamiento que se opone al movimiento.

El valor de la fuerza de rozamiento depende de: a) tipo de superficies en contacto (ej. madera, metal, plástico/granito, etc), b) del estado de la superficies, que pueden ser pulidas, rugosas, etc. (ej. madera compacta finamente lijada, acero inoxidable) y c) de la fuerza de contacto entre ellas.

FUERZAS CONCURRENTES

Un sistema de fuerzas concurrentes es aquel para el cual existe un punto en común para todas las rectas de acción de las fuerzas componentes. La resultante es el elemento más simple al cual puede reducirse un sistema de fuerzas. Como simplificación diremos que es una fuerza que reemplaza a un sistema de fuerzas. Se trata de un problema de equivalencia por composición, ya que los dos sistemas (las fuerzas componentes por un lado, y la fuerza resultante,

por el otro) producen el mismo efecto sobre un cuerpo. En el ejemplo que veremos a continuación vamos a hallar la resultante en forma gráfica y en forma analítica.

FUERZAS PARALELAS

Si sobre un cuerpo rígido actúan dos o más fuerzas cuyas líneas de acción son paralelas, la resultante tendrá un valor igual a la suma de ellas con su línea de acción también paralela a las fuerzas, pero su punto de aplicación debe ser determinado con exactitud para que produzca el mismo efecto que las componentes.

FUERZA NORMAL (O N)

Se define como la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado sobre la misma. Ésta es de igual magnitud y dirección, pero de sentido opuesto, a la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la superficie.

FUERZA ELÁSTICA

La fuerza elástica es la ejercida por objetos tales como resortes, que tienen una posición normal, fuera de la cual almacenan energía potencial y ejercen fuerzas. La fuerza elástica se calcula como: F = - k  ?X ?X =  Desplazamiento desde la posición normal   k =  Constante de elasticidad del resorte   F =  Fuerza elástica 

FUERZA GRAVITATORIA

Entre dos cuerpos aparece una fuerza de atracción denominada gravitatoria, que depende de sus masas y de la separación entre ambos. La fuerza gravitatoria disminuye con el cuadrado de la distancia, es decir que ante un aumento de la separación, el valor de la fuerza disminuye al cuadrado. La fuerza gravitatoria se calcula como: G = Constante de gravitación universal. Es un valor que no depende de los cuerpos ni de la masa de los mismos.

FUERZA EQUILIBRANTE

Se llama fuerza equilibrante a una fuerza con mismo módulo y dirección que la resultante (en caso de que sea distinta de cero) pero de sentido contrario. Es la fuerza que equilibra el sistema. Sumando vectorialmente a todas las fuerzas (es decir a la resultante) con la equilibrante se obtiene cero, lo que significa que no hay fuerza neta aplicada.

FUERZA CENTRÍFUGA

En la Mecánica Clásica, la fuerza centrífuga es una fuerza ficticia que aparece cuando se describe el movimiento de un cuerpo en un sistema de referencia en rotación.

El calificativo de "centrífuga" significa que "huye del centro". En efecto, un observador situado sobre la plataforma de una silla voladora que gira con velocidad angular ? (observador no-inercial) siente que existe una «fuerza» que actúa sobre él, que le impide permanecer en reposo sobre la plataforma a menos que él mismo realice otra fuerza dirigida hacia el eje de rotación, fuerza que debe tener de módulo , siendo la distancia a la que se encuentra del eje de rotación. Así, aparentemente, la fuerza centrífuga tiende a alejar los objetos del eje de rotación.

FUERZA CENTRÍPETA

Fuerza centrípeta es toda fuerza o componente de fuerza dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria de una partícula. Así, en el caso del movimiento circular uniforme, la fuerza centrípeta está dirigida hacia el centro de la trayectoria circular y es necesaria para producir el cambio de dirección de la velocidad de la partícula. Si sobre la partícula no actuase ninguna fuerza, se movería en línea recta con velocidad constante.

FUERZA RESULTANTE

Se define así a aquella fuerza capaz de reemplazar a las fuerzas componentes para producir el mismo efecto.

Las fuerzas, en un sistema en el que actúen todas en la misma dirección, tendrán una intensidad de sus componentes e igual sentido. Por ejemplo, un caballo tira de un carro con una fuerza de 100 , mientras que el carrero lo empuja con una fuerza de 50 . La resultante es de 150 , y tiene la misma dirección y sentido (fuerzas colineales del mismo sentido).

También puede darse el caso de un sistema de fuerza con la misma dirección, pero en sentido opuesto. La resultante tiene el mismo sentido que el de la mayor de las dos fuerzas, y su intensidad es la diferencia entre ambas. Un ejemplo es el juego conocido como cinchada, en el que intervienen dos personas o más que tiran con distintas fuerzas, una hacia la derecha y la otra hacia la izquierda; la resultante tendrá el sentido de la mayor fuerza (fuerzas colineales de diferentes sentidos).

Cuando la resultante de las fuerzas aplicadas es igual a cero, se dice que el cuerpo está en equilibrio