Dinámica
La dinámica es la rama de la física que estudia cómo las fuerzas afectan el movimiento de los cuerpos. Se basa en principios fundamentales que fueron formulados principalmente por Isaac Newton en el siglo XVII. A lo largo de este tema, exploraremos cómo las leyes de Newton y otros conceptos clave, como el momento lineal, el impulso y las fuerzas específicas, nos ayudan a entender desde el movimiento de un coche hasta la órbita de los planetas.
Leyes de Newton
Las leyes de Newton son los pilares de la dinámica. Estas tres leyes explican la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y su movimiento.
Primera ley de newton o ley de la inercia
Un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Esto significa que, sin fuerzas aplicadas, no habrá cambio en el estado de movimiento de un cuerpo.
Ejemplo: Un coche estacionado no se moverá hasta que una fuerza (como el motor encendido o una persona empujándolo) lo ponga en marcha.
La inercia es la propiedad de los cuerpos de resistir cambios en su estado de movimiento. Cuanto más masivo sea un cuerpo, mayor será su inercia, es decir, será más difícil cambiar su movimiento.
Segunda ley de newton o ley de la fuerza
La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, e inversamente proporcional a su masa. Esta relación se expresa mediante la fórmula:
f = ma
F: Fuerza neta aplicada al cuerpo.
m: Masa del cuerpo.
a: Aceleración resultante.
Esta ley es muy intuitiva: si aplicamos una fuerza sobre un cuerpo ligero, este acelerará mucho más que si aplicamos la misma fuerza sobre un cuerpo más pesado.
Ejemplo: Es más fácil empujar una bicicleta que un coche, porque la bicicleta tiene menos masa y por lo tanto requiere menos fuerza para acelerar.
Tercera ley de newton o ley de acción y reacción
Cada acción genera una reacción de igual magnitud pero en dirección opuesta. Esto significa que si un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, el objeto B ejercerá una fuerza igual y opuesta sobre el objeto A.
Ejemplo: Si empujas una pared, la pared te "empuja" a ti con la misma fuerza, aunque no se mueva. Esta es la razón por la que sientes resistencia cuando presionas contra una pared.
Momento lineal e impulso. Conservación del movimiento lineal
El momento lineal es una magnitud física que representa la cantidad de movimiento que tiene un cuerpo. Se define como el producto de la masa del cuerpo y su velocidad:
p = mv
p: Momento lineal.
m: Masa del cuerpo.
v: Velocidad del cuerpo.
Un objeto con mayor masa o mayor velocidad tendrá más momento lineal, lo que significa que será más difícil detenerlo.
Impulso:
El impulso es el cambio en el momento lineal de un cuerpo causado por la acción de una fuerza durante un intervalo de tiempo. La relación entre impulso, fuerza y tiempo se expresa como:
I = F ⋅ Δt
El impulso nos permite entender cómo una fuerza aplicada durante cierto tiempo puede cambiar el movimiento de un cuerpo. Si la fuerza es grande o se aplica durante un tiempo largo, el cambio en el movimiento será mayor.
Ejemplo: Golpear una pelota de fútbol con el pie genera un impulso que cambia su momento lineal, haciéndola moverse más rápido.
Conservación del movimiento lineal:
En un sistema cerrado, donde no actúan fuerzas externas, el momento lineal total se conserva. Esto significa que la suma del momento lineal de todos los cuerpos antes y después de una interacción (como una colisión) es la misma.
Ejemplo: En una colisión entre dos coches, la cantidad total de movimiento antes del choque es igual a la cantidad de movimiento después del choque, aunque se redistribuya entre los coches.
Aplicaciones de las leyes de Newton
Las leyes de Newton tienen muchas aplicaciones prácticas en la vida cotidiana y en la ciencia. Veamos algunas de las más comunes.
Cuerpos apoyados en una superficie
Cuando un cuerpo descansa sobre una superficie, actúan dos fuerzas importantes:
El peso (W) del cuerpo, que es la fuerza gravitatoria que lo empuja hacia abajo.
La fuerza normal (N), que es la reacción de la superficie que empuja hacia arriba con la misma magnitud que el peso, siempre que el cuerpo esté en reposo.
Si no hay otras fuerzas (como fricción), el cuerpo permanecerá en reposo o se moverá a velocidad constante si ya estaba en movimiento.
Fuerzas de rozamiento y movimiento sobre planos
El rozamiento es la fuerza que se opone al movimiento entre dos superficies en contacto. Existen dos tipos de rozamiento:
Rozamiento estático: Ocurre cuando el objeto está en reposo. Es la fuerza que debemos vencer para poner el objeto en movimiento.
Rozamiento cinético: Actúa cuando el objeto ya está en movimiento.
El movimiento sobre planos inclinados introduce fuerzas adicionales, como la componente del peso que actúa a lo largo del plano y el rozamiento que se opone al deslizamiento.
Ejemplo: Cuando intentas empujar una caja sobre una superficie rugosa, el rozamiento se opone a tu empuje.
Cuerpos enlazados
Cuando dos o más cuerpos están conectados mediante una cuerda o una barra, se denominan cuerpos enlazados. Las fuerzas de tensión en la cuerda o la barra y las fuerzas externas aplicadas se distribuyen entre los cuerpos enlazados.
Ejemplo: Si dos bloques están conectados por una cuerda y uno de ellos se desliza por un plano inclinado, la tensión de la cuerda y el peso de ambos bloques afectan el movimiento de todo el sistema.
Dinámica del Movimiento Circular
El movimiento circular es especial porque requiere una fuerza que constantemente cambia la dirección del objeto. Esta fuerza, llamada fuerza centrípeta, actúa hacia el centro del círculo y es responsable de mantener el objeto en su trayectoria circular.
La aceleración centrípeta necesaria para mantener un cuerpo en movimiento circular es:
ac = v2 / r
Donde:
v: Velocidad del objeto.
r: Radio de la trayectoria circular.
La fuerza centrípeta se relaciona con la masa del objeto y su aceleración centrípeta:
Fc = mv2 / r
Ejemplo: Un coche que toma una curva experimenta una fuerza centrípeta hacia el centro de la curva para mantener su trayectoria.
Fuerza elástica
La fuerza elástica es la fuerza que se desarrolla en un material elástico cuando es deformado, y tiende a devolver el objeto a su forma original. La Ley de Hooke describe cómo esta fuerza depende de la deformación:
F = -k * x
Donde:
F: Fuerza restauradora.
k: Constante elástica o constante del resorte.
x: Deformación del objeto.
El signo negativo indica que la fuerza siempre actúa en la dirección opuesta a la deformación.
Ejemplo: Cuando estiras un resorte, este ejerce una fuerza hacia adentro para volver a su forma original.
Fuerza gravitatoria
La fuerza gravitatoria es la atracción entre dos cuerpos con masa. La Ley de la Gravitación Universal establece que esta fuerza es directamente proporcional a las masas de los dos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa:
F = G * (m1 * m2 / r2)
Donde:
F: Fuerza gravitatoria.
G: Constante gravitacional universal.
m1 y m2: Masas de los dos cuerpos.
r: Distancia entre los centros de los cuerpos.
Esta fuerza es la responsable de fenómenos como la caída libre de los objetos y las órbitas planetarias.
Fuerza eléctrica
La fuerza eléctrica es la fuerza que actúa entre cargas eléctricas. La Ley de Coulomb describe esta interacción:
F = k * (q1 * q2 / r2)
Donde:
F: Fuerza eléctrica.
k: Constante de Coulomb.
q1 y q2: Magnitudes de las cargas.
r: Distancia entre las cargas.
Esta fuerza puede ser de atracción (si las cargas tienen signos opuestos) o de repulsión (si tienen el mismo signo).
Sólido rígido
Un sólido rígido es un objeto que no se deforma bajo la acción de fuerzas, es decir, sus partículas mantienen la misma distancia entre sí. La dinámica de sólidos rígidos incluye tanto el movimiento de traslación (desplazamiento del centro de masa) como el movimiento de rotación alrededor de un eje.
El momento de inercia mide la resistencia de un sólido rígido a cambiar su estado de rotación, y es análogo a la masa en la traslación.
Ejemplo: Un disco que gira sobre su eje experimenta rotación sin deformarse, manteniendo su forma original.