TEMA 8.- Dinámica
ÍNDICE GENERAL
0.- Concepto de Dinámica.
1.- La fuerza.
1.1.- Concepto de fuerza. Unidad de medida y carácter vectorial.
1.2.- Tipos de fuerzas.
1.3.- Composición de fuerzas. Fuerza resultante. Concepto de equilibrio.
2.- Efectos de las fuerzas.
2.1.- Deformación: ley de Hooke. El dinamómetro.
2.2.- Alteración del movimiento: leyes de Newton.
2.2.1.- Primera ley de Newton o ley de inercia.
2.2.2.- Segunda ley de Newton o ley fundamental de la Dinámica.
2.2.3.- Tercera ley de Newton o ley de acción y reacción.
3.- Fuerzas fundamentales de la Naturaleza.
3.1.- Fuerza gravitatoria o peso.
3.2.- Fuerza eléctrica.
3.3.- Fuerza magnética.
3.4.- Fuerza nuclear.
0.- CONCEPTO DE DINÁMICA.
La Mecánica es la parte de la Física que se encarga de estudiar el movimiento. Dicho estudio puede llevarse a cabo desde dos puntos de vista:
➔ La Cinemática es la parte de la Mecánica que se encarga de estudiar el movimiento sin tener en cuenta las causas que lo producen, tal y como hicimos en el tema anterior.
➔ La Dinámica es la parte de la Mecánica que se encarga de estudiar las causas que producen el movi-miento, que son las fuerzas. Éstas serán, por tanto, nuestro objeto de estudio en este tema.
1.- LA FUERZA.
1.1.- CONCEPTO DE FUERZA. UNIDAD DE MEDIDA Y CARÁCTER VECTORIAL.
La fuerza es una magnitud física que suele definirse a partir de los efectos que produce. Así, decimos que una fuerza es toda causa de alterar el estado de reposo o de MRU de un cuerpo, o de producir en él una deformación.
De la definición anterior de fuerza podemos extraer algunas conclusiones:
✔ La fuerza es una magnitud vectorial, lo cual significa que para describir completamente una fuerza debemos conocer su valor nu-mérico o módulo, su dirección y su sentido. Por tanto, las fuerzas se representarán gráficamente mediante vectores.
La unidad de fuerza en el S.I. es el newton (N), que se define (ver apartado 2.2) como la fuerza ne-cesaria que, aplicada sobre un cuerpo de 1 kg de masa, da lugar a que éste se mueva con una aceleración de 1 m/s2. Existen otras unidades de fuerza, como la dina (1 N = 105 din), que son muy antiguas y no suelen
utili-zarse.
La fuerza se mide con un aparato de medida llamado dinamómetro, cuyo funcionamiento se explica-rá en el apartado 3.3.
1.2.- TIPOS DE FUERZAS.
Hemos dicho en el apartado anterior que una fuerza es la interacción, o acción mutua, entre dos obje-tos. De dicha definición podemos deducir que hay dos tipos de fuerzas:
1. Fuerzas o interacciones de contacto: son aquellas que se ejercen entre dos cuerpos cuyas superficies están en contacto. Ejemplos son la fuerza de roza-miento, el golpeo de un balón (ver figura a la derecha, etc.).
2. Fuerzas o interacciones a distancia: son aquellas que se ejer-cen entre dos cuerpos que están separados una cierta distancia; suele decirse que estas fuerzas se “propagan” por el espacio.
Ejemplos son la fuerza gravitatoria o peso (ver figura a la izquierda), la fuerza eléc-trica, la fuerza magnética, etc.
1.3.- COMPOSICIÓN DE FUERZAS. FUERZA RESULTANTE. CONCEPTO DE EQUILIBRIO.
Cuando se representan las fuerzas que existen sobre un objeto utilizando vectores, es fundamental conocer el valor de la fuerza neta o resultante, que es aquella cuyo efecto es el mismo que los efectos de to-das las fuerzas que actúan sobre dicho objeto. Para calcular la fuerza neta o resultante ( ⃗Fneta ) debemos realizar la composición de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo; vamos a distinguir una posibilidad, la composición de fuerzas de la misma dirección. Existen dos posibilidades:
i. Fuerzas del mismo sentido: cuando sobre un cuerpo actúan dos fuerzas de la misma dirección y sentido, la fuerza neta o resultante tiene la misma dirección y sentido que ambas, y su módulo o valor es la suma de los módulos o valores de las dos fuerzas (ver figura a la derecha).
ii. Fuerzas de sentidos contrarios: cuando
sobre un cuerpo actúan dos fuerzas de la misma dirección pero de sentidos contrarios, la fuerza neta o resultante tiene la misma dirección que ambas y el mismo sentido que el de la fuerza de mayor valor, y su módulo es la resta de los módulos de ambas fuerzas (ver figura a la izquierda).
Un cuerpo se encuentra en equilibrio cuando está en reposo o se mueve con MRU. La condición que debe cumplirse para que un cuerpo se encuentre en equilibrio es que la fuerza neta o resultante de todas las que actúan sobre él sea nula:
2.- EFECTOS DE LAS FUERZAS.
2.1.- DEFORMACIÓN: LEY DE HOOKE. EL DINAMÓMETRO.
Sabemos que los objetos elásticos son aquellos que se deforman debido a la acción de una fuerza, pero vuelven a su forma inicial una vez cesa ésta.
El científico inglés Robert Hooke (1635-1703), contemporáneo y enemigo acérrimo de Newton, estableció una ley que lleva su nombre y que explica el comportamiento de un objeto elástico cuando se le somete a una fuerza no excesivamente grande (que pueda, por tanto, deformar al objeto). La ley de Hooke establece que la deformación, x, de un objeto elástico es directamente proporcional a la fuerza F que se ha ejercido sobre él: a mayor fuerza, mayor deformación, y viceversa. Suele expresarse de la manera siguiente:
F = K·x
donde K es la constante elástica del objeto (N·m-1 ), que nos indica la
resis-tencia que opone a ser deformado. Así, un valor grande de la constante elás-tica nos indica que hay que ejercer una fuerza muy elevada para conseguir una pequeña deformación, es decir, el muelle es “duro”. Sucederá lo contra-rio si la constante elástica es pequeña.
La ley de Hooke explica el funcionamiento de los dinamómetros, que son los aparatos destinados a medir fuerzas; están formados por un muelle o resorte elástico junto con una escala graduada que marca la deformación que experimenta el muelle al aplicarle una determinada fuerza.
2.2.- ALTERACIÓN DEL MOVIMIENTO: LEYES DE NEWTON.
Fue el científico inglés Isaac Newton (1642-1727) el que estableció las bases de la Dinámica en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principios Matemáticos de la Filosofía natural), publicada en 1687. En su obra, Newton afir-ma que las fuerzas son las responsables de los movimientos de los objetos, y establece tres leyes que explican el movimiento de cualquier objeto sometido a la acción de una fuerza.
2.2.1.- PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE INERCIA.
Su enunciado original se debe a Galileo, aunque a Newton corresponde el mérito de relacionarla con las 2 leyes restantes. Establece que cualquier objeto permanece en estado de reposo o de MRU a no ser que sobre él actúe alguna fuerza neta o resultante externa.
OBSERVACIONES A LA 1ª LEY DE NEWTON:
✗ Esta ley nos permite definir la inercia como la tendencia que tienen los objetos a permanecer en re-poso o moviéndose con MRU.
2.2.2.- SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA.
⃗
Fneta=m ·⃗a OBSERVACIONES A LA 2ª LEY DE NEWTON:
✗ De la 2ª ley de Newton podemos justificar la definición del newton como unidad de fuerza del S.I. que antes hemos comentado.
✗ Como toda fuerza da lugar a una aceleración, cualquier objeto sometido a una fuerza neta o resultan-te se moverá con movimiento acelerado.
✗ La 1ª ley de Newton es consecuencia de la 2ª, pues:
si ⃗Fneta=0⇒ ⃗a=0⇒ ⃗v=cte
✗ La masa (o inercia según Newton) es la resistencia que oponen los cuerpos a ser desplazados debido a la acción de una fuerza: cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, más fuerza deberemos ejercer para alterar su estado de reposo o de MRU.
2.2.3.- TERCERA LEY DE NEWTON O LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN.
Fue enunciada originalmente por Leibniz, y establece que cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B ( ac-ción), éste responde al cuerpo A ejerciendo sobre él una fuerza de igual valor, pero de sentido contrario (reacción).
OBSERVACIONES A LA 3ª LEY DE NEWTON:
✗ Esta ley implica que las fuerzas siempre actúan por parejas.
✗ Las fuerzas de acción y reacción aparecen simultáneamente, pero no se anulan entre sí al actuar so-bre objetos diferentes. Al actuar soso-bre objetos dife-rentes, sus efectos son distintos.
✗ La 3ª ley de Newton explica, por ejemplo, por qué nos movemos cuando caminamos (la reacción del suelo es la que nos permite caminar), por qué exis-te una velocidad de retroceso cuando se dispara un arma o por qué avanza un avión gracias a la fuerza que ejercen sus motores.
Puedes consultar de forma interactiva los principales aspectos de las leyes de Newton en la siguiente página web:
http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/dinamica/index.htm
En la siguiente página web aparecen los principales aspectos de la Dinámica, incluyendo las leyes de Newton:
http://ntic.educacion.es/w3//eos/MaterialesEducativos/mem2007/dinamica_leyes_newton/dinamica/
3.- FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA.
3.1.- FUERZA GRAVITATORIA O PESO.
as-tros, es la misma que explica la caída de los objetos en la Tierra debido a la atracción que ésta ejerce sobre ellos.
Así, el peso de un objeto de masa m en la Tierra será la fuerza de atracción gravitatoria existente entre dicho cuerpo y el planeta Tierra, y depende de la masa del cuerpo y de la gravedad, que es la aceleración con la que cae el objeto debido a la atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre él. Su valor promedio para objetos cercanos a la superficie de la Tierra es 9´8 m/s2. El valor de la gravedad disminuye
conforme nos alejamos de la Tierra; por tanto, el peso de un cuerpo será más pequeño cuanto más se separe de la superficie terrestre. Observa que el peso es una fuerza a distancia.
Lógicamente, el peso, al ser una fuerza, tendrá carácter vectorial: su sentido estará dirigido hacia abajo, hacia el centro de la Tierra. Su unidad en el S.I. será el newton. ¡¡No debemos confundir masa y peso!! La masa es una magnitud (escalar) que nos indica la cantidad de materia que tiene un objeto, y se mide en kg en el S.I. En cambio, el peso es una magnitud vectorial que nos indica la fuerza con que la Tierra atrae a cualquier objeto y depende del valor de la gravedad (se expresa en newton en el S.I.).
Además del movimiento vertical de los cuerpos en la Tierra, la fuerza gravitatoria es la responsable de la estructura del Universo tal y como lo conocemos: planetas que giran en torno a las estrellas, movimiento del Sistema Solar en torno al centro de la Vía Láctea (que es la galaxia a la que pertenecemos), etc.
3.2.- FUERZA ELÉCTRICA.
Sabemos que la materia tiene naturaleza eléctrica, pues los átomos que la forman contienen partículas – los protones y los neutrones – que poseen carga eléctrica; sabemos también que esta carga eléctrica puede ser de dos tipos, llamados carga positiva y carga negativa.
La fuerza eléctrica es una fuerza a distancia que actúa entre dos cuerpos que estén eléctricamente cargados, es decir, cuando han ganado o perdido electrones, pues entonces habrán adquirido, respectivamente, carga eléctrica negativa o positiva. Es atractiva si las cargas son de distinto signo y repulsiva si son de signo contrario.
3.3.- FUERZA MAGNÉTICA.
La fuerza magnética es una fuerza a distancia que existe entre imanes (objetos con propiedades magnéticas). Las propiedades de los imanes son las siguientes:
• Tienen dos polos, llamados norte y sur.
•
Pueden atraerse o repelerse, lo cual significa que la fuerza magnética puede ser de carácter atractivo o repulsivo.Los imanes son fundamentales en los generadores, que son los dispositivos que sirven para generar electricidad en centrales eléctricas (eólicas, nucleares, térmicas,...).
La fuerza magnética es debida a la existencia de cargas en movimiento; de ahí que la Electricidad y el Magnetismo sean ramas de la Física estrechamente relacionadas (ambas constituyen el Electromagnetismo).
3.4.- FUERZA NUCLEAR.
La fuerza nuclear es una fuerza a distancia, de corto alcance, que mantiene unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo de los átomos (es más intensa que la fuerza eléctrica repulsiva que existe entre los protones). Es, por tanto, la responsable de la gran estabilidad que poseen los núcleos atómicos.
En la siguiente tabla se muestra un resumen comparativo de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza que hemos explicado en este apartado; aparecen ordenadas, de arriba a abajo, de mayor a menor intensidad:
FUERZA Alcance Actúan sobre... Ejemplos
Nuclear Muy pequeño (núcleo del átomo)
Protones y neutrones Fuerzas nucleares
Magnética y eléctrica Infinito Partículas cargadas eléctricamente
Enlaces químicos (iónico, covalente o metálico)
Gravitatoria Infinito Partículas con masa
(todas)
